đồ án máy gia cố cọc xi măng đất

Tổng quan về thiết bị phục vụ gia cố nền đất yếu theo phương pháp trộn ướt trên thế giới...7 1.3 Tình hình nghiên cứu ứng dụng công nghệ và thiết bị thi công cọc xi măng đất theo phương

CHƯƠNG 1 2

TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ GIA CỐ NỀN ĐẤT YẾU THEO PHƯƠNG PHÁP TRỘN SÂU2 1.1 Tổng quan về phương pháp gia cố nền đất yếu 2

1.2 Tổng quan về thiết bị phục vụ gia cố nền đất yếu theo phương pháp trộn ướt trên thế giới 7

1.3 Tình hình nghiên cứu ứng dụng công nghệ và thiết bị thi công cọc xi măng đất theo phương pháp trộn ướt trong nước 10

CHƯƠNG 2 12

LỰA CHỌN PHƯƠNG ÁN THIẾT KẾ VÀ TÍNH TOÁN THIẾT KẾ TỔNG THỂ .12 2.1 Phương án lựa chọn máy 12

2.2 Lựa chọn phương án thiết kế 20

2.2.1 Các chỉ tiêu kinh tế, kỹ thuật lựa chọn phương án thiết kế 20

2.2.2 Lựa chọn phương án thiết kế máy 21

2.3 Tính toán tổng thể từng bộ máy 22

2.3.1 Tổng thể dây truyền thiết bị khoan tạo cọc xi măng đất 22

2.3.2 Tính toán tổng thể máy tạo cọc xi măng đất 22

2.3.3 Tính toán tổng thể máy bơm vữa xi măng 23

2.3.4 Thùng trộn vữa xi măng 27

2.3.5 Máy phát điện 30

2.3.6 Máy nén khí .30

2.3.7 Thùng xe đựng xi măng khô 30

CHƯƠNG 3 31

TÍNH CHỌN BỘ MÁY DẪN ĐỘNG QUAY VÀ 31

BỘ MÁY NÂNG HẠ CẦN KHOAN 31

3.1 Tính lực cản của đất lên mũi khoan khi khoan .31

3.1.1 Trường hợp 1: Khi mũi khoan đi xuống cắt đất 31

3.1.2 Trường hợp 2: Khi mũi khoan đi lên 41

3.2 Sơ đồ động của máy tạo cọc xi măng đất 45

3.3 Tính chọn bộ máy dẫn động quay cần khoan 45

3.3.1 Chọn động cơ điện chính 45

3.3.2 Tính chọn hộp số chính 48

3.3.6 Tính toán thiết kế mâm quay 53

3.4 Tính chọn bộ máy nâng hạ cần khoan 103

3.4.1 Tính toán bộ truyền đai 104

3.4.2 Tính chọn hộp số phụ 107

3.4.3 Tính chọn bộ truyền xích 107

3.4.4 Tính toán thiết kế hộp giảm tốc 110

CHƯƠNG 4 134

TÍNH CHỌN BỘ MÁY DI CHUYỂN KIỂU BƯỚC 134

4.1 Lựa chọn phương án thiết kế bộ máy di chuyển kiểu bước 134

4.1.1 Phương án kiểu di chuyển thẳng của máy 134

4.1.2 Phương án kiểu di chuyển ngang của máy 135

4.2 Tính chọn các xylanh thủy lực di chuyển và xylanh thủy lực nâng hạ cột 138

4.2.1 Tính toán bộ di chuyển bước: 138

4.2.2 Tính chọn xylanh thủy lực lắp dụng giá khoan 142

4.2.3 Tính chọn bơm dầu và động cơ lai bơm 144

4.3 Các bước di chuyển của máy 146

4.3.1 Sơ đồ mạch thủy lực của máy khoan tạo cọc xi măng đất 146

4.3.2 Các bước khi máy di chuyển thẳng 146

4.3.3 Các bước khi máy di chuyển ngang 150

CHƯƠNG 5 155

QUY TRÌNH LẮP DỰNG MÁY TẠO CỌC XI MĂNG ĐẤT 155

5.1 Lắp dựng trong nhà xưởng 155

5.2 Lắp dựng máy ngoài công trường 159

CHƯƠNG 6 162

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 162

6.1 Kết luận 162

6.2 Kiến nghị 166

TÀI LIỆU THAM KHẢO 167

LỜI NÓI ĐẦU

Cùng với sự phát triển chung của đất nước, trong những năm gần đây, nhiều công trình xây dựng cơ bản đã được nhà nước đầu tư như bến cảng, sân bay, khu công nghiệp, đường hầm đã và đang được xây dựng Khi thi công các công trình này, gia cố nền móng là một trong những công việc không thể thiếu Công nghệ gia

cố nền đất yếu bằng cọc xi măng đất (CXMĐ) nói chung và CXMĐ thi công theo công nghệ trộn Ф ướt nói riêng là một trong những công nghệ gia cố đã và đang được thế giới quan tâm và áp dụng trong nhiều hạng mục công trình quan trọng, nhất là các công trình chịu tải trọng phân bố đều

Được sự đồng ý của nhà trường, Bộ môn Máy Xây Dựng – Xếp Dỡ, giảng

viên đã hướng dẫn em thực hiện đề tài tốt nghiệp có tên: “Tính toán, thiết kế thiết

bị thi công cọc xi măng đất Ф600 theo công nghệ phun ướt gia cố nền đất yếu trên khung chuyên dùng di chuyển kiểu bước” Với các nội dung như sau:

phun ướt

Với sự hướng dẫn tận tình của thầy giáo, Tiến Sĩ Nguyễn Xuân Khang

cùng các thầy giáo trong bộ môn Máy Xây Dựng – Xếp Dỡ, em đã hoàn thành đồ

án tốt nghiệp này Em xin gửi lời cảm ơn chân thành tới các thầy, cô

Hà Nội, ngày 05 tháng 5 năm 2010

Sinh viên Nguyễn Hồng Thắng

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ GIA CỐ NỀN ĐẤT YẾU THEO

PHƯƠNG PHÁP TRỘN SÂU

1.1 Tổng quan về phương pháp gia cố nền đất yếu

Đất nước ta đang trong quá trình phát triển, hợp tác, và hội nhập với các nước trong khu vực cũng như với các nước trên thế giới Để có nền kinh tế ổn định, vững chắc và phát triển đến tầm cao mới thì cần có rất nhiều các công trình giao thông, xây dựng dân dụng để đáp ứng được nhu cầu phát triển của kinh tế Trong các công trình đó thì việc xử lý nền móng là một khâu hết sức quan trọng ảnh hưởng rất lớn tới chất lượng công trình

Việc xử lý nền móng của các công trình đã hình thành từ rất lâu nhất là xử lý nền móng bằng các loại cọc nguyên thủy có sẵn như cọc tre, cọc gỗ với phương pháp đóng thủ công Theo sự phát triển của xã hội thì quy mô các công trình ngày càng lớn và được xây dựng trên các nền đất khác nhau nên các loại cọc ngày càng

có nhiều và biện pháp thi công phải thay đổi để đáp ứng được yêu cầu của công trình Tùy thuộc vào quy mô, thời hạn phục vụ của công trình, điều kiện tự nhiên của đất xây dựng mà người ta áp dụng các biện pháp khác nhau để gia cố nền móng cho phù hợp Với những công trình xây dựng nhà ở thuộc loại nhỏ của các hộ gia đình thường áp dụng biện pháp làm móng bằng bê tông, móng cọc tre…

Hiện nay, trong thực tế xây dựng nền móng cho các công trình lớn, thời hạn phục vụ lâu dài người ta áp dụng các loại móng cọc Đây là loại móng đảm bảo khả năng xây dựng nhà và công trình trên các loại đất có sức chịu tải nhỏ, trên các vùng đất đóng băng… Chính việc áp dụng móng cọc đã thúc đẩy việc ứng dụng các phương pháp công nghiệp hóa xây dựng cũng như việc trang bị cho các đơn vị xây

Những ưu điểm cơ bản của việc áp dụng móng cọc là rút ngắn thời gian thi công, giảm bớt công tác nặng nhọc cho công nhân, giảm bớt khối lượng thép, bê tông, giảm khối lượng công tác làm đất và tăng chất lượng công trình… Phương pháp thi công móng cọc ít nhạy cảm với sự thay đổi trạng thái của đất nền Có thể đào những hố sâu, thi công móng cọc mới ngay sát các móng cọc mà không gây nguy cơ phá hỏng công trình Cọc được hạ trong móng bằng nhiều loại máy thi công khác nhau.

Ngoài phương pháp gia cố nền bằng móng cọc ra người ta còn dùng nhiều phương pháp khác như:

- Để gia cố nền có các loại đất to hạt có nhiều lỗ rỗng và vết nứt, người ta dùng biện pháp xi măng hóa, đây là biện pháp hiệu quả và được sử dụng rộng rãi

- Để gia cố xử lý nền bên dưới có các túi nước, túi bùn ngầm người ta dùng phương pháp ép bấc thấm

Công tác gia cố nền móng hiện nay có rất nhiều phương pháp khác nhau, mỗi phương pháp có tính ưu việt riêng và phù hợp với từng yêu cầu công trình khác nhau Các phương pháp hiện nay hay sử dụng là:

∗ Phương pháp khoan cọc nhồi: Cọc nhồi được thực hiện bằng cách rót

trực tiếp vật liệu (bê tông, bê tông cốt thép, cát) vào những lỗ cọc làm sẵn trong lòng đất ngay tại mặt bằng thi công công trình Theo phương pháp tạo lỗ cọc khoan nhồi, thi công cọc nhồi được chia làm hai loại cơ bản như sau:

- Tạo lỗ cọc bằng cách đóng ống kim loại, đầu dưới bịt đế cọc vào lòng đất, sau đó rót vật liệu tạo cọc vào lòng ống Ống kim loại có thể để nguyên với vai trò

là thành ống hoặc rút lên khỏi lòng đất trong quá trình rót vật liệu bằng thiết bị chuyên dùng, còn đế cọc nằm lại trong lòng đất

- Tạo lỗ cọc bằng phương pháp khoan chuyên dùng Các thiết bị khoan rất đa dạng, như tạo lỗ bằng phương pháp cơ học, phương pháp vật lý hay là theo cách đưa đất từ lỗ khoan lên theo dạng liên tục hay chu kỳ.

Đặc điểm của phương pháp này là:

+ Có thể thi công trên các công trường mà điều kiện không thể thi công bằng các phương pháp khác được

- Nhược điểm:

+ Chi phí đầu tư máy móc thiết bị ban đầu lớn nên giá thành máy khá cao;+ Khó kiểm tra chính xác chất lượng cọc sau khi thi công;

+ Gây ô nhiễm môi trường do có chất thải là dung dịch bentonit;

+ Phải xây dựng trạm trộn bê tông tại công trường hoặc phụ thuộc địa điểm trạm trộn bê tông và công suất của trạm đó (do phụ thuộc thời gian bê tông đóng cứng từ lúc trộn bê tông đến lúc đổ xong cọc)

∗ Phương pháp ép cọc tĩnh: Đây là phương pháp cơ học dùng lực ép cọc

xuống lòng đất, phương pháp này chỉ đóng được các loại cọc có chiều dài ngắn hoặc đối với cọc dài, lớn thì phải dùng máy có công suất lớn Đặc điểm của phương

- Ưu điểm:

+ Không gây chấn động đến các công trình xung quanh, không tạo ra tiếng

ồn Do ưu điểm này mà phương pháp ép tĩnh được sử dụng nhiều trong các công trình khu dân cư, trong các thành phố, thị trấn, nơi đông dân người;

+ Giá thành rẻ

- Nhược điểm:

+ Chỉ đóng được các loại cọc nhỏ có khẩu độ không dài lắm hoặc nếu ép cọc lớn thì chi phí mua máy ban đầu rất lớn mà khối lượng thi công ít do ở nươc ta chưa có nhiều công trình lớn nên hiệu quả kinh tế khi sử dụng loại máy này chưa cao

∗Phương pháp dùng lực va đập:

● Búa hơi

Quả búa hơi được chia làm hai loại: Quả búa tác động đơn và quả búa tác động kép Ở quả búa tác động đơn, cọc được nhấn vào nền do năng lượng rơi tự do của đầu búa tác dụng trực tiếp lên cọc, năng lượng của hơi nước hoặc không khí nén chỉ dùng để nâng đầu quả búa lên cao Trong quả búa tác động kép năng lượng của hơi nước hoặc không khí nén ngoài dùng để nâng quả búa lên cao mà còn có tác dụng đẩy nhanh chúng rơi xuống đầu cọc

nghiệt như: Trên sông, đầm lầy, ở vùng cao mà các phương pháp khác không làm được

* Phương pháp dùng lực rung động - Búa rung.

Quả búa rung được sử dụng phổ biến trong thi công đóng cọc, đặc biệt chúng làm việc rất hiệu quả trên nền đất cát tơi, xốp, ở những địa hình chật hẹp, chen cấy, nhất là khi đóng cọc gia cố nền Khi làm việc quả búa liên tục truyền lên cọc dao dộng có tần số, biên độ và hướng nhất định, làm giảm đáng kể sự ma sát giữa đất

và cọc Nhược điểm của phương pháp này so với phương pháp dùng quả búa diezel

là có kết cấu lớn, làm việc ồn hơn, máy kém ổn định hơn

* Phương pháp ép cọc bấc thấm

- Bấc thấm là các băng có lõi bằng prôliprôpilen có tiết diện hình răng bánh

xe, bên ngoài được bọc áo lọc

- Bấc thấm là một phương pháp nhân tạo nhằm cải tạo nền đất bằng thiết bị tiêu nước thẳng đứng để xử lý đất yếu được dùng để thay thế cọc cát làm phương pháp tiện dẫn nước cố kết từ dưới nền đất yếu lên tầng đệm cát phía trên và thoát ra ngoài, nhờ đó tăng tốc độ lún của nền đất trên đất yếu, tăng tốc độ cố kết của bản thân

Đặc điểm của phương pháp này lá:

+ Hoạt động thoát nước tốt trong các điều kiện khác nhau.

- Nhược điểm:

+ Với nền đất quá yếu thì xử lý bằng bấc thấm không hiệu quả

1.2 Tổng quan về thiết bị phục vụ gia cố nền đất yếu theo phương pháp trộn ướt trên thế giới.

Khi thi công công trình xây dựng, gia cố nền móng là một trong những công việc không thể thiếu Tuỳ theo từng loại công trình, tiến độ thi công, nguồn kinh phí đầu tư, yêu cầu cấp độ chất lượng mà người ta có thể sử dụng các công nghệ gia cố nền móng khác nhau Các phương pháp thông thường như cọc cát, cọc tre, cắm bấc thấm, cọc gia cố bằng vật liệu tại chỗ, cọc đóng bằng bê tông cốt thép…

đã được thế giới sử dụng từ lâu Mỗi công nghệ thi công có những ưu nhược điểm

và phạm vi áp dụng hiệu quả cụ thể

Công nghệ gia cố nền đất yếu bằng cọc xi măng đất là một trong những công nghệ gia cố đã và đang được thế giới quan tâm và áp dụng trong nhiều hạng mục công trình quan trọng như sân bay, bãi đỗ xe, bến cảng Ưu điểm của công nghệ này là chi phí thấp (giá của một đơn vị cọc xi măng đất rẻ hơn đáng kể so với cọc

bê tông, đặc biệt đối với các công trình có tải trọng phân bố đều trên diện rộng thì chi phí xử lý nền đất yếu có thể giảm đến 30%) và tiến độ thi công nhanh, đặc biệt không gây rung động, ồn ào, có thể thi công trong khu dân cư hoặc các khu đô thị

Trong công nghệ gia cố nền đất yếu bằng cọc xi măng đất có hai phương pháp thi công là:

1/ Cọc xi măng đất phun kiểu khô: Xi măng được phun khô và trộn vào khối đất

trong cọc để tạo thành cột xi măng đất

2/ Cọc xi măng đất phun kiểu ướt: Xi măng được trộn thành vữa và phun vào khối

đất trong cọc để tạo thành cột xi măng đất

Trong công nghệ cọc xi măng đất phun kiểu ướt lại chia ra hai loại: là phụt vữa xi măng cao áp (jet grouting) và phun vữa xi măng Công nghệ phụt vữa xi măng cao áp thường được áp dụng ở Tây Đức và các nước Bắc Âu, công nghệ này đòi hỏi dòng vữa xi măng phụt ra dạng tia, có áp suất rất cao (thường khoảng 400-

(từ 50-420 kW) Trong khi đó, công nghệ phun vữa xi măng thông thường chỉ đòi

thống dây chuyền thiết bị phun vữa xi măng thông thường (gọi tắt là thiết bị phun vữa xi măng) là phổ biến hơn, điển hình như dây chuyền thiết bị của Nhật Bản và Trung Quốc

Công nghệ phụt vữa xi măng cao áp đòi hỏi áp suất phun rất cao và vận tốc phun rất lớn, nhờ đó mà tia vữa áp suất cao phụt ra sẽ xói tơi các phần tử đất xung quanh hòa trộn với nhau tạo thành khối xi măng đất đồng nhất Công nghệ phụt vữa

xi măng cao áp đòi hỏi một hệ thống dây chuyền thiết bị rất hiện đại và điều kiện thi công khắt khe nên giá thành thi công cũng rất cao Giá thành trên một đơn vị cọc gia cố bằng công nghệ phụt vữa xi măng cao áp so với công nghệ phun vữa xi măng cao hơn nhiều lần

Đề tài này, tôi tập trung đi sâu vào phương pháp thi công cọc xi măng đất phun kiểu ướt loại áp áp suất thấp (phun vữa xi măng: áp suất vữa phun 70-100

nước phát triển ngành công nghiệp chế tạo máy nói chung, chế tạo các thiết bị thi công chuyên dùng phục vụ công nghệ thi công cọc gia cố đất nói riêng đã được chế tạo và áp dụng trong thực tế thi công Các thiết bị đó đã đáp ứng các mục tiêu thi công các công trình gia cố nền móng, mang lại hiệu quả kinh tế - kỹ thuật Trong danh mục các sản phẩm của nhiều hãng chế tạo máy thi công lớn trên thế giới của các nước Thụy Điển, CHLB Đức, Nhật Bản đều có các loại thiết bị chuyên dùng

Thiết bị thi công cọc gia cố theo công nghệ phun ướt là một tổ hợp gồm nhiều thiết bị: Máy cơ sở, thiết bị khoan, thiết bị trộn vữa xi măng, bơm vữa xi măng áp suất cao, thiết bị định lượng vữa xi măng phun và hệ điều khiển Máy cơ

sở là thiết bị có nhiệm vụ neo giữ giá khoan và dẫn động cho mũi khoan chuyển động xoay, tịnh tiến lên - xuống và thay đổi góc nghiêng (góc xiên) giá khoan theo các yêu cầu trong thi công cọc gia cố

Thiết bị khoan bao gồm giá khoan, đầu khoan, cần khoan và mũi khoan Giá khoan có nhiệm vụ neo giữ và dẫn hướng cho đầu khoan chuyển động lên - xuống, giá khoan có thể thay đổi được góc nghiêng (để thi công các cọc xiên khi cần) Đầu khoan (được dẫn động bởi nguồn thủy lực của máy cơ sở, hoặc nguồn điện) truyền chuyển động quay cho mũi khoan thông qua cần khoan Khi khoan, nhờ trọng lượng bản thân của bộ phận đầu khoan và góc xoắn của mũi khoan mà mũi khoan

đi vào nền đất với chiều sâu yêu cầu Hệ thống tời rút mũi khoan trên máy cơ sở được dẫn động nhờ nguồn dẫn động thủy lực hoặc điện của máy cơ sở

Thiết bị trộn vữa xi măng có nhiệm vụ trộn xi măng với nước thành vữa xi măng; đồng thời làm nhiệm vụ bồn chứa hoặc có bồn chứa vữa xi măng đi cùng

Bơm vữa xi măng áp suất cao đóng vai trò quan trọng, nó tạo ra dòng vữa xi măng áp suất cao giúp dễ dàng trộn đều vữa xi măng với đất gia cố trong lỗ khoan

Thiết bị định lượng vữa xi măng phun có nhiệm vụ định lượng lượng vữa xi măng cho từng cọc, phun vữa xi măng theo tốc độ rút mũi khoan cùng với việc trộn đều vữa xi măng trong cọc của thiết bị khoan

Hệ điều khiển có nhiệm vụ điều khiển toàn bộ các thao tác trong thi công cọc gia cố: điều khiển tự động việc định lượng vữa xi măng với sai số cho phép Điều khiển tự động quá trình phun vữa xi măng đồng đều theo thể tích của cọc gia cố Lưu giữ số liệu, hiển thị và in kết quả lượng vữa xi măng đã thi công từng cọc gia

cố theo chiều sâu của cọc

1.3 Tình hình nghiên cứu ứng dụng công nghệ và thiết bị thi công cọc xi măng đất theo phương pháp trộn ướt trong nước

Trong những năm gần đây, nhiều công trình xây dựng cơ bản đã được nhà nước đầu tư như bến cảng, sân bay, bãi đỗ xe Để xây dựng những công trình này, cần thiết phải gia cố nền đất, đặc biệt là những vùng nền đất yếu nhằm nâng cao khả năng chịu lực, đảm bảo công trình làm việc an toàn và hiệu quả

Những thiết bị chuyên dùng thi công cọc gia cố hiện nay chúng ta phải nhập đồng bộ từ nước ngoài với giá rất cao (hàng tỷ VNĐ) được chế tạo tại Thụy Điển, CHLB Đức, Nhật Bản Trong khi nền kinh tế nước ta còn có nhiều khó khăn, chúng ta không thể có đủ kinh phí để trang bị hàng loạt thiết bị thi công cọc gia cố cho các đơn vị thi công được, thì con đường phát huy nội lực, tự nghiên cứu thiết

kế chế tạo trên cơ sở những tiềm năng có sẵn và nhập ngọai những vật tư, phụ tùng chủ yếu cần được quan tâm triển khai thực hiện Một số thiết bị nhập của Trung Quốc có kiểu di chuyển bước chậm nên năng suất thấp, định lượng bán tự động, các thao tác và điều khiển bằng tay không đảm bảo chất lượng cọc

Cùng với sự phát triển của nền kinh tế quốc dân, với trình độ công nghệ hiện nay, chúng ta hòan tòan có thể chế tạo được các thiết bị gia cố nền đất yếu với tính năng hiện đại tương đương với trình độ thế giới lắp trên những máy cơ sở hiện có trong nước như giàn búa đóng cọc tự hành, máy xúc bánh xích Chúng ta có thể sử dụng giàn búa đóng cọc tự hành, máy xúc bánh xích, cần trục bánh xích có truyền động thủy lực làm máy cơ sở cho tổ hợp thiết bị Việc sử dụng các máy cơ sở có sẵn giúp cho các nhà thầu giảm kinh phí đầu tư, làm chủ tiến độ thi công Điều đó có nghĩa là khi đã có máy cơ sở (ví dụ giàn búa đóng cọc tự hành), các nhà thầu chỉ cần mua sắm thêm các thiết bị công tác theo công nghệ gia cố nền đất yếu Đây là những thiết bị trong nước có thể chủ động tự chế tạo được Điều đó giúp cho các nhà thầu giảm kinh phí đầu tư, làm chủ tiến độ thi công, mang lại hiệu quả kinh tế rõ rệt, đáp

bản

Từ trước tới nay, trong nước chưa nghiên cứu đầy đủ về hệ thống thiết bị phục vụ thi công cọc gia cố bằng vật liệu tại chỗ Trong thời gian qua, Trung tâm công nghệ Máy xây dựng và Cơ khí thực nghiệm thuộc Viện Khoa học và công nghệ GTVT đã có những quan tâm nghiên cứu bước đầu về thiết bị thi công cọc gia

cố Đồng thời đã chế tạo được thiết bị tự động định lượng phun xi măng kiểu khô Tuy nhiên, thiết bị thi công cọc xi măng đất gia cố nền đất yếu theo công nghệ phun kiểu ướt gia cố nền móng có chất lượng cao hơn kiểu khô nhưng do nhiều nguyên nhân khác nhau nên vẫn chưa có điều kiện nghiên cứu chế tạo để ứng dụng rộng rãi trong nước

Được sự quan tâm của Bộ Giao thông Vận tải, theo nhiệm vụ nghiên cứu KHCN năm 2010, Trung tâm đã được giao nhiệm vụ nghiên cứu chế tạo thiết bị thi công cọc xi măng đất gia cố nền đất yếu theo công nghệ phun ướt

Theo quan điểm phát huy nội lực, cùng với những tiềm năng sẵn có trong nước kết hợp với những yếu tố thuận lợi trong lĩnh vực hợp tác quốc tế về kỹ thuật tiên tiến, về khả năng nhập khẩu các vật tư phụ tùng, linh kiện điện tử chủ yếu chúng ta hoàn toàn có thể chế tạo thành công thiết bị thi công cọc xi măng đất gia

cố nền đất yếu theo công nghệ phun ướt, nâng cao chất lượng thi công nền móng công trình, phù hợp với qui trình công nghệ thi công hiện hành, với trình độ công nghệ chế tạo trong nước, đáp ứng các yêu cầu kinh tế - kỹ thuật - xã hội đang đòi hỏi

CHƯƠNG 2 LỰA CHỌN PHƯƠNG ÁN THIẾT KẾ VÀ TÍNH TOÁN

THIẾT KẾ TỔNG THỂ

2.1 Phương án lựa chọn máy.

Đề tài tốt nghiệp có nội dung như sau: “Tính toán, thiết kế thiết bị thi công

cọc xi măng đất Ф600 theo công nghệ phun ướt gia cố nền đất yếu trên khung chuyên dùng di chuyển bước”.

Máy gia cố nền bằng cọc xi măng đất hoạt động dựa trên nguyên lý cắt tơi đất đến độ sâu yêu cầu rồi phun vữa xi măng trong quá trình rút lên và trộn đều tạo thành cọc xi măng đất Vì vậy máy ta lựa chọn phải có đầy đủ các bộ phận sau:

- Khung chuyên dùng di chuyển bước

- Cần khoan và mũi khoan chuyên dung

- Bộ máy dẫn động quay cần khoan

- Bộ máy nâng hạ cần khoan

Ta sử dụng động cơ thủy lực để dẫn động quay cần khoan Động cơ thủy lực

Dùng tời để nâng hạ cần khoan, tang được dẫn động bằng động cơ thủy lực Nhưng trong quá trình cần khoan đi xuống do lực cản của đất lên ta phải đặt đối trọng phía trên cùng với động cơ dẫn động cần khoan để ép cần khoan khi đi xuống.

Do bố trí dẫn động cần khoan và đối trọng ép mũi khoan khi đi xuống ở phía trên cần khoan nên phía sau của khung máy ta phải đặt đối trọng, để đảm bảo ổn định cho máy khi làm việc cũng như khi di chuyển

●Ta có cấu tạo của máy như sau:

1- Chân di chuyển ngang; 2- Xylanh chân chống; 3- Mũi khoan; 4- Khung di chuyển thẳng; 5- Động cơ dẫn động bơm thủy lực;6- Sàn máy; 7- Tời nâng hạ cần khoan; 8- Đối trọng; 9- Bàn điều khiển; 10- Giá lắp dựng cột dẫn hướng; 11- Thùng dầu thủy lực; 12- Bơm thủy lực; 13- Thang leo; 14- Cần khoan; 15- Động

cơ thủy lực dẫn động quay cần khoan; 16- Tai trượt; 17- Cột dẫn hướng; 18- Xà đỉnh; 19- Dây cáp; 20- Tăng đơ; 21- Đối trọng ép cần khoan đi xuống; 22- Sống trượt.

Hình 2.1 Tổng thể máy tạo cọc xi măng đất theo phương án 1

● Đặc điểm của máy tạo cọc xi măng đất theo phương án 1:

- Ưu điểm:

+ Tận dụng được cột dẫn hướng có sẵn;

+ Có thể điều chỉnh được tốc độ khoan và tốc độ nâng hạ cần khoan;

+ Kết cấu của máy đơn giản, dễ tháo lắp, dễ bảo dưỡng bảo quản

- Nhược điểm:

+ Ta sử dụng các bộ máy toàn bằng thủy lực nên giá thành rất cao;

+ Do sử dụng giá búa làm cột dẫn hướng và dùng đối trọng nên khung di chuyển bước lớn, cồng kềnh, di chuyển khó khăn;

+ Mất thời gian định tâm khi khoan;

+ Khó phối hợp giữa tốc độ quay và tốc độ nâng hạ cần khoan

* Phương án 2:

Dùng cột dẫn hướng dạng dàn hình chữ C Cột được lắp bu lông với khung

đỡ, khung đỡ này được hàn cố định vào khung chuyên dùng di chuyển bước Dùng

bộ truyền cơ khí để dẫn động quay và nâng hạ cần khoan

- Dùng một động cơ điện vừa dẫn động quay vừa nâng hạ cần khoan (cũng

có thể dẫn động riêng, dùng hai động cơ)

- Dẫn động cơ cấu quay cần khoan: Từ động cơ điện i ly hợp i hộp số chính i

bộ đảo chiều quay i trục các đăng i mâm quay

- Dẫn động cơ cấu nâng hạ cần khoan: Từ động cơ điện i ly hợp i hộp số chính i bộ đảo chiều quay i bộ truyền đai i hộp số phụ ihộp giảm tốc i bộ truyền xích chính i bộ truyền xích trung gian.

- Một đầu cần khoan được lắp vào cơ cấu giữ ở phía trên, cơ cấu này cho phép cần khoan quay được, đây cũng là nơi lắp xích để nâng hạ cần khoan

● Đặc điểm của máy tạo cọc xi măng đất theo phương án 2

- Ưu điểm:

+ Kết cấu cột dẫn hướng nhỏ gọn, dễ chế tạo, dễ lắp dựng;

+ Phối hợp được tốc độ quay và tốc độ nâng hạ cần khoan;

+ Điều khiển tốc độ quay và tốc độ nâng hạ cần khoan dễ dàng;

+ Các thiết bị đều dễ kiếm và giá thành không cao;

+ Định tâm cọc dễ dàng;

+ Kết cấu khung di chuyển nhỏ gọn

- Nhược điểm:

+ Do có nhiều thiết bị nên việc bảo dưỡng mât thời gian, tốn nhiều công sức

● Cấu tạo của máy như sau:

1- Chân di chuyển ngang; 2- Xylanh chân chống; 3- Mũi khoan; 4- Khung di chuyển thẳng; 5- Sàn máy; 6- Bộ đảo chiều quay; 7- Hộp số chính; 8- Ly hợp ma sát; 9- Động cơ điện chính; 10- Tủ điện; 11- Thanh chống xiên; 12- Bàn điều khiển

di chuyển; 13- Thùng dầu thủy lực; 14- Bộ truyền đai; 15- Hộp số phụ; 16- Hộp giảm tốc; 17- Động cơ dẫn động bơm thủy lực; 18- Trục các đăng; 19- Xylanh thủy lực đỡ và nâng hạ cột; 20- Bộ truyền xích chính; 21- Bộ truyền xích trung gian; 22- Xích; 23- Cột dẫn hướng; 24- Đĩa xích đỉnh cột; 25- Cơ cấu đỡ cần khoan; 26-

Cần khoan; 27- Con lăn dẫn hướng; 28- Giá đỡ cột dẫn hướng; 29- Mâm quay; 30- Động cơ dẫn động bơm dầu bôi trơn; 31- Rãnh trược.

Hình 2.2 Tổng thể máy tạo cọc xi măng đất theo phương án 2

Ta sử dụng cột dẫn hướng dạng dàn hình vuông Cột dẫn hướng được lắp trên khung chuyên dùng di chuyển bước thông qua một chốt để cột dẫn hướng có thể nghiêng được.

Ta sử dụng động cơ điện để dẫn động quay cần khoan Động cơ điện có lắp biến tần để điều chỉnh tốc độ khoan Động cơ điện này sẽ được đặt ở phía dưới sàn máy

Dùng tời để nâng hạ cần khoan, tang được dẫn động bằng động cơ thủy lực Nhưng trong quá trình cần khoan đi xuống do lực cản của đất lên ta phải đặt đối trọng phía trên cần khoan để ép cần khoan khi đi xuống

Do bố trí dẫn động cần khoan và đối trọng ép mũi khoan khi đi xuống ở phía trên cần khoan nên phía sau của khung máy ta phải đặt đối trọng, để đảm bảo ổn định cho máy khi làm việc cũng như khi di chuyển

● Đặc điểm của máy tạo cọc xi măng đất theo phương án 3

- Ưu điểm:

+ Cột dẫn hướng dễ chế tạo

+ Có thể điều chỉnh được tốc độ quay và tốc độ nâng hạ cần khoan

+ Kết cấu của máy đơn giản, dễ tháo lắp, dễ bảo dưỡng bảo quản

● Cấu tạo của máy như sau:

Hình2.3 Tổng thể máy tạo cọc xi măng đất theo phương án 3

1- Chân di chuyển ngang; 2- Xylanh chân chống; 3- Mũi khoan; 4- Khung di chuyển thẳng; 5- Động

cơ dẫn động bơm thủy lực;6- Sàn máy; 7- Tời nâng

hạ cần khoan; 8- Đối trọng; 9- Bàn điều khiển; 10- Giá lắp dựng cột dẫn hướng; 11- Thùng dầu thủy lực; 12- Bơm thủy lực; 13- Dây dẫn dầu thủy lực; 14- Cần khoan; 15- Động cơ dẫn động quay cần khoan; 16- Tai trượt;

17- Cột dẫn hướng; 18- Xà đỉnh; 19- Dây cáp; 20- Tăng đơ; 21- Hộp giảm tốc; 22- Đối trọng ép cần khoan đi xuống; 23- Sống trượt.

2.2 Lựa chọn phương án thiết kế.

2.2.1 Các chỉ tiêu kinh tế, kỹ thuật lựa chọn phương án thiết kế.

Tính năng kỹ thuật phù hợp

+ Đảm bảo tính ổn định trong quá trình thi công.

+ Đảm bảo chi phí hợp lý trong quá trình thi công

- Nguyên lý cấu tạo thích hợp hiện đại

- Thích nghi với môi trường nhiệt đới Việt Nam với trình độ công nghệ hiện tại trong nước

- Gọn nhẹ, thuận tiện trong việc sửa chữa thay thế

- Tiện lợi trong sử dụng và bảo quản

- Giá thành hợp lý

2.2.2 Lựa chọn phương án thiết kế máy.

Qua việc phân tích các ưu nhược điểm của từng bộ máy, kêt cấu tổng thể của máy và dựa vào các chỉ tiêu kinh tế kỹ thuật ta nhận thấy phương án 2 có nhiều ưu điểm hơn cả đồng thời nó cũng có khả năng gia công chế tạo, vật tư thiết bị phù hợp với điều kiện kỹ thuật trong nước và nó cũng phù hợp với phương hướng phát triển của khoa học Vậy ta chọn phương án 2 – là sử dụng bộ truyền cơ khí để dẫn động quay và nâng hạ cần khoan

● Tổng thể kết cấu máy tạo cọc xi măng đất ta lựa chọn như hình 2.2

2.3 Tính toán tổng thể từng bộ máy

2.3.1 Tổng thể dây truyền thiết bị khoan tạo cọc xi măng đất.

Hình2.5 Dây truyền thiết bị khoan tạo cọc xi măng đất 1- Máy khoan tạo cọc xi măng đất; 2- Máy bơm vữa xi măng; 3- Thùng trộn vữa xi măng; 4- Cơ cấu định lượng xi măng, nước, phụ gia; 5- Máy bơm nước; 6- Thùng đựng nước; 7- Máy bơm phụ gia; 8- Thùng đựng phụ gia; 9- Máy phát điện; 10- Máy nén khí; 11- Thùng xe vận chuyển xi măng khô; 12- Ống dẫn khí; 13- Ống dẫn vữa xi măng.

2.3.2 Tính toán tổng thể máy tạo cọc xi măng đất.

∗ Công suất dẫn động.

Ta sử dụng động cơ điện vừa dẫn động quay vừa nâng hạ cần khoan, theo

H = l + l + l (m)

lc: Chiều dài cần khoan.

lđ: Chiều dài đầu nối cần khoan lđ = 0.5m

lđc: Đoạn đỉnh cột dẫn hướng lđc = 1.5m

iH = 18 + 0,5 + 1,5 = 20 (m)

- Chiều rộng của máy phụ thuộc vào chiều rộng của các bộ máy và cách bố trí các

- Chiều dài cần khoan: lc = 18m

- Đường kính mũi khoan (D): Do đường kính của cọc xi măng đất cần tạo là

d = 600mm, mà công nghệ phun ướt không mở rộng cọc – nghĩa là đường kính cọc tạo ra bằng đường kính mũi khoan iD = d = 600mm

2.3.3 Tính toán tổng thể máy bơm vữa xi măng.

a Phương án lựa chọn thiết kế thiết bị bơm vữa.

Căn cứ theo những yêu cầu của công nghệ thi công CXMĐ, qua phân tích ưu nhược điểm của các chủng loại thiết bị bơm vữa và đối chiếu với các chỉ tiêu kinh

tế - kỹ thuật của thiết bị ta lựa chọn phương án thiết kế máy bơm vữa với các đặc tính như sau:

Với kết cấu 3 xy lanh song song hoạt động liên tục với sự bố trí của chu kỳ

cần thiết tại đường ống đẩy

Vậy ta có thể chọn được thiết bị bơm vữa như sau :

Hình2.6 Tổng thể máy bơm vữa

xi măng

Nguyên lý hoạt động của bơm vữa loại truyền động cơ học theo nguyên lý trục khuỷu thanh truyền.Thông qua bộ truyền đai

từ động cơ điện dẫn động làm quay trục khuỷu dẫn động thanh truyền dịch chuyển lên xuống có nhiệm vụ hút và đẩy vữa Việc hút và đẩy vữa được thực hiện như hình vẽ sau:

Hình2.7 Nguyên lý làm việc của máy bơm vữa xi

măng

Hành trình của pít tông đi vào kéo theo van bi 2 chặn cửa đẩy vữa lại đồng thời van bi 1 mở cửa hút vữa từ cửa hút vào đường ống Sau khi đủ một hành trình pít tông đi ra đẩy vữa hút được ra khỏi xi lanh, lúc này van

bi 1 bít kín cửa hút còn van bi 2 được đẩy lên làm cho vữa được bơm lên đường ống đẩy Quá trình tiếp tục được lặp lại các chu trình như trên

b Tính toán thiết bị bơm vữa

∗ Áp lực bơm vữa cần thiết

Δp: tổn thất đường ống, được tính theo công thức: Δp = γ

Trong đó: γ: Tỷ trọng vữa xi măng phụ gia

của ống dẫn

g: Gia tốc rơi tự do

Theo thực nghiệm, đối với các loại bơm năng suất thông thường, với chiều dài từ ống dẫn vữa của bơm tới cọc ≤ 20 m thì Δp = 15 ÷ 30 bar

Áp suất phun vữa lớn nhất cần thiết tại đáy CXMĐ sẽ được gây ra bởi vật liệu nằm bên trên và ma sát bên thành của nó (theo tài liệu [22]) được tính như sau:

Pmax = (15 0,3 2,5 + 0,6 3,14 7,5 15 ) / 0,3

Trong đó: 15: Chiều dài CXMĐ; m

0,6 3,14 : Chu vi tiếp xúc bên thành CXMĐ; m

∗ Công suất của thiết bị bơm vữa.

Công suất của thiết bị bơm được tính theo công thức: Nb =

K1: Hiệu suất của truyền động, K1 = 0,94

● Xác định lưu lượng bơm vữa:

Khối lượng xi măng cho 1m dài thể tích CXMĐ là:

mxi măng = 0,3.300 = 90 kg (xét cho 1 phút cần bao nhiêu kg xi măng)

Vì khi bơm vữa được tính theo lít vữa nên lượng xi măng cần thiết cho 1 CXMĐ sẽ được hòa trộn với nước thành dung dịch vữa có tỷ lệ như sau:

Cứ 4,5 kg nước hòa trộn được 25 kg xi măng

Khối lượng dung dịch thu được là: mdd = mxm + mnước = 90 + 16,2 = 106,2 kg (bỏ qua khối lượng của các chất phụ gia)

Cứ 2,1 kg thì có được 1 lít dung dịch vữa xi măng

Vậy 106,2 kg có được số y lít dung dịch vữa xi măng:

Vậy lưu lượng bơm cần thiết trong 1 phút là: Q = y = 50,57 lít/phút

Theo TCVN ta chọn động cơ điện có các thông số sau:

- Chế độ làm việc: 40%

2.3.4 Thùng trộn vữa xi măng.

a Lựa chọn thiết bị trộn vữa xi măng.

Căn cứ theo những yêu cầu công nghệ phun vữa CXMĐ, những quan điểm chỉ đạo và các chỉ tiêu kinh tế kỹ thuật trong lựa chọn phương pháp án thiết kế ta chọn phương pháp án thiết kế thiết bị trộn vữa là loại thiết bị trộn tuần hoàn với kết cấu như sau:

- Phần bơm ly tâm: Sử dụng loại bơm chuyên dùng để bơm chất sệt có tỷ trọng lớn và độ nhớt cao với kết cấu buồng bơm và cánh công tác là thép hợp kim đặc biệt chịu mài mòn tốt được chế tạo trong nước.

- Động cơ điện dẫn động bơm là động cơ tiêu chuẩn của các nhà máy chế tạo động cơ trong nước

- Phần kết cấu thép (thùng trộn, sàn máy, đường ống tuần hoàn) sử dụng thép tấm và thép định hình tiêu chuẩn, liên kết hàn và chế tạo trong nước

- Hệ thống van sử dụng van tay tiêu chuẩn nhập ngoại của Italia hoặc Trung Quốc sẵn có trên thị trường

Với kết cấu như trên, thiết bị trộn vữa đảm bảo được yêu cầu kỹ thuật của công nghệ thi công đồng thời tỷ lệ nội địa hóa cao nên giá thành hợp lý

Hình2.9 Tổng thể thùng trộn vữa xi măng

* Nguyên lý làm việc của thiết bị trộn vữa:

Các thành phần của hỗn hợp vữa trong thùng trộn được bơm ly tâm hút qua ống hút và đẩy lên đường ống tuần hoàn sau đó được phun trở lại thùng trộn theo hướng tiếp tuyến với đường tròn chu vi thùng trộn Quá trình trộn lặp lại chu trình liên tục như trên cho tới khi hỗn hợp tạo ra đáp ứng được yêu cầu kỹ thuật thì được xả vào máy bơm vữa qua đường ống xả

Với nguyên lý làm việc như trên, hỗn hợp được trộn trong buồng công tác của bơm ly tâm sau đó lại được trộn lại khi dòng hỗn hợp phun theo hình xoắn ốc trong thùng trộn (sau khi vữa ra khỏi ống tuần hoàn).

b Tính toán thiết bị trộn vữa.

∗ Tính toán thiết kế thiết bị trộn vữa

Các cụm chủ yếu của thiết bị trộn hỗn hợp bao gồm:

-Bơm tuần hoàn

-Thùng trộn

-Hệ đường ống

∗ Tính toán thiết kế bơm tuần hoàn.

Các tính chất của vữa sau khi trộn:

Để phù hợp với dây truyền thiết bị cho thi công CXMĐ ta chọn bơm tuần hoàn có các thông số như sau

Trong đó: γ: Tỷ trọng của hỗn hợp vữa; γ = 2,152

η: Hiệu suất truyền động từ động cơ điện tới bơm; η = 0,85

K: Hệ số phụ thuộc vào thứ nguyên; K = 600

CHƯƠNG 3 TÍNH CHỌN BỘ MÁY DẪN ĐỘNG QUAY VÀ

BỘ MÁY NÂNG HẠ CẦN KHOAN

3.1 Tính lực cản của đất lên mũi khoan khi khoan

Lực cản của đất rất phức tạp và đã có nhiếu nhà khoa học trong và ngoài nước nghiên cứu về vấn đè lực cản của đất lên các thiết bị khoan, đào khi ta tiến hành cắt đất Các nhà khoa học cũng đã đưa ra rất nhiều ký thuyết cắt đất khác nhau Khi ta tạo cọc xi-măng đất, ta dùng mũi khoan dạng cánh cắt để đất làm cho đất tơi xốp, và khi rút lên các cánh này lại trở thành các cánh trộn để trộn xi măng với đất tạo thành cọ xi măng đất

Với tính chất của mũi khoan như trên, ta áp dụng phương pháp của Giáo sư N.G.Dombrovxki để tính toán lực cản của đất lên mũi khoan khi ta tiến hành khoan

3.1.1 Trường hợp 1: Khi mũi khoan đi xuống cắt đất.

Ta có: lực cản tiếp tuyến tác dụng lên một cánh cắt: P01 = k2 B h (N)

Hình 3.1 Lực tác dụng lên cánh cắt lúc mũi khoan đi xuống

B: Chiều rộng phoi đất của cắt của 1 cánh (cm) h: Chiều dày phiu đất cắt (cm)

- Máy khoan dùng để tạo cọc xi măng đất dùng để gia cố nền đất yếu dưới sâu, nhưng khi gia cố nền đất mà nền phía trên của chúng là các công trình cũ, do lớp đất phía trên thường cứng Ta chọn loại đất khoan là loại đất cấp IV

Theo bảng 1.III, tài liệu [1], ta có: k2 = 15 (N/cm2)

Đường kính cọc đất cần tạo thành là: D = 60 (cm)

Đường kính thân mũi khoan là: d = 10 (cm)

→ Chiều rộng của phoi đất cắt của mũi khoan là:

nên các thành phần lực có sự thay đổi như sau:

Để dẫn động được mũi khoan vừa cắt đất và vừa đi xuống thì công suất làm

hoạt động đồng thời và chỉ do một động cơ dẫn động nên ta tính toán như sau:

* Lực cản của đất tác dụng lên một cánh tay cắt lúc xuống là:

dF1: Vi phân diện tích cánh tay cắt.

β: Hệ số tương ứng với vận tốc quay

một cánh tay cắt:

Ta chọn nlên max = 60 v/phút

Với các thông số về tốc độ quay như trên ta có :

 Vận tốc góc lớn nhất của mũi khoan lúc đi xuống là:

Do mũi khoan có hai cánh cắt nên lực cản cắt tổng hợp theo phương x của

b Xét cánh tay trộn của mũi khoan:

Ta tính toán lực cản của đất tác dụng lên cánh tay trộn của mũi khoan tương

tự như cánh tay cắt, chỉ khác là do cánh tay trộn ở trên so với cánh tay cắt lên khi mũi khoan đi xuống nói chỉ trộn đất đã tơi xốp Ta chọn loại đất này là đất loại I

Thay số vào ta được:

Px

1t = (2 16900 / 9,81) 177,66 0,0207 2,723 (0,33 - 0,053 ) / 3= 840,8 N

Để cọc xi măng – đất đảm bảo theo yêu cầu thiết kế ngoài việc phun đúng hàm lượng xi măng trên 1m dài ta còn phải chú ý mỗi 1m dài của cọc mũi khoan