CÁC THÔNG số hợp lý của THIẾT bị cọc XI MĂNG đất THEO điều KIỆN THI CÔNG

CÁC THÔNG SỐ HỢP LÝ CỦA THIẾT BỊ CỌC XI MĂNG ĐẤT THEO ĐIỀU KIỆN THI CÔNG Lê Thanh Đức, Nguyễn Hồng Ngân Trường Đại học Bách Khoa - ĐHQG TP Hồ Chí Minh TÓM TẮT: Hiện tại, hệ thống thiết

CÁC THÔNG SỐ HỢP LÝ CỦA THIẾT BỊ CỌC XI MĂNG ĐẤT

THEO ĐIỀU KIỆN THI CÔNG

Lê Thanh Đức, Nguyễn Hồng Ngân

Trường Đại học Bách Khoa - ĐHQG TP Hồ Chí Minh

TÓM TẮT:

Hiện tại, hệ thống thiết bị thi công cọc xi

măng đất đều được nhập từ nước ngoài, việc

lựa chọn các thông số của hệ thống để phù hợp

với các công trình tại Việt Nam là điều cần thiết

Mục đích của nghiên cứu này là: dưới sự tác

động của các yêu cầu đan xen nhau, có thể lựa

chọn được một bộ thông số hợp lý phù hợp với

một yêu cầu định trước Trong thi công cọc có

những chỉ tiêu ta muốn đạt được (ví dụ: năng

suất, chất lượng,…) nhưng các chỉ tiêu này lại

phụ thuộc vào các ràng buộc khác (ví dụ: hàm lượng xi măng, thời gian thi công,…) Do tính chất phức tạp này, kết hợp với chi phí thi công cọc không hề rẻ làm cho quá trình kiểm soát các yếu tố trở nên khó khăn Có thể sử dụng các công cụ toán học, với số liệu giả thiết để đưa ra quy luật về mối liên hệ giữa chúng Từ

đó đạt được các mục tiêu Bài báo này đã giúp người thi công không còn lúng túng khi lựa chọn các tham số để thi công

Từ khóa: mũi khoan trộn, thiết bị, xi măng – đất

I ĐẶT VẤN ĐỀ

Công nghệ thi công cọc xi măng-đất đã

được phát triển trên thế giới từ những năm 60

của thế kỷ trước Công nghệ này là một trong

những lựa chọn để sử dụng trong việc gia cố

nền, bờ bao, đê điều, các tường vây ngăn thấm

nước từ ngoài vào hoặc từ trong ra, và một số

ứng dụng khác Cọc xi măng-đất (XMĐ) được

phát triển ở Bắc Âu và Nhật Bản sau đó được

ứng dụng rộng rãi ở các nước khác Đối với các

công trình tại Việt Nam, công nghệ này được áp

dụng từ khoảng những năm 2000 Theo thống

kê trên thế giới:

- Tính đến năm 2001, khối lượng đất được

xử lý bằng cọc XMĐ ở Nhật Bản lên tới 70

triệu m3 (Terashi,2003), hàng năm có khoảng 5 triệu m3

, trong đó có 1/3 thi công ngoài bờ biển (Hiệp hội CDM, Nhật Bản)

- Tại Bắc Âu số liệu tính đến năm 2000, có khoảng 1,2 triệu m3 cọc xi măng-vôi được thi công (FHWA, 2000)

- Tại Trung Quốc,năm 1992 chỉ riêng trong

dự án cảng Yantai, gần 60.000 m3 cọc XMĐ đã được xử lý ngoài biển do chính người Trung Quốc thực hiện (Tang,1996) Một vài thống kê sau nói lên phần nào sự phát triển mạnh mẽ của cọc XMĐ tại Nhật Bản

Hình 1 Khối lượng thi công cọc XMĐ tính riêng theo phương pháp DJM tại Nhật Bản từ 1981-1995

(Okumura,1996)

Hình 2 a)Khối lượng chất kết dính trộn theo phương pháp DJM được sử dụng tại Nhật Bản trong thời gian 1992-1996; b) Thể tích đất được gia cố bằng cọc xi măng, vôi trộn với đất tại chỗ ở Thụy Điển

Hình 3 a- Máy trộn một trục trộn sâu tại nơi thi công cầu WD- 2, đường cao tốc 2, a an;b- Máy trộn

đường kính 0,8 m (Keller Polska)

Do xi măng đất có độ bền cao hơn đất

nền, và có khả năng chống nước thấm qua, giá

thành và thời gian hợp lý cũng như mức độ

phức tạp của công nghệ không quá khó do vậy

nó đã được áp dụng ngày càng rộng rãi trong thi công đất nền yếu tại Việt Nam và thế giới

Hình 4 Sơ đồ quá trình thi công cọc xi măng đất Các máy khoan trộn tạo cọc được chọn cần

phải đáp ứng được đầy đủ các chỉ tiêu kinh tế

kỹ thuật Quá trình trộn tạo cọc là một quá trình

phức tạp, chưa được quan tâm nghiên cứu đầy

đủ ở Việt Nam Trong các chỉ tiêu ấy, năng suất

trộn và công suất chi phí, chất lượng trộn là những chỉ tiêu cơ bản, ảnh hưởng tới hiệu quả thi công Các chỉ tiêu ấy liên quan đến hàng loạt thông số, các thông số ấy ảnh hưởng tương tác lẫn nhau, do vậy khi thi công người điều khiển

máy gặp rất nhiều khó khăn để lựa chọn các

thông số Điều này dẫn tới là hiệu quả thi công

không cao

Đây chính là những tồn tại mà bài báo

muốn đưa giải pháp để góp phần giải quyết

II NỘI DUNG NGHIÊN CỨU

Tác giả tập trung xét riêng quá trình

khoan trộn bằng cách xây dưng một mô hình

bài toán, có xét đến ảnh hưởng của các tham

số: d – đường kính cọc, cánh trộn; n – số vòng

quay của trục trộn; Re - hệ số Reynold,

 - khối lượng riêng của đất trộn; H– chiều dài

cọc trộn; M – số cánh trộn; vx - vận tốc xuyên

xuống; vl – vận tốc rút lên Các tham số trên là

các tham số mô tả điều kiện làm việc của thiết

bị Vấn đề ở đây đó là các thông số này cần

được điều chỉnh để phù hợp với mong muốn

của người vận hành Bài báo diễn đạt các mong

muốn ấy theo 3 nhóm chỉ tiêu đã nêu (năng suất

trộn, công suất chi phí và chất lượng trộn)

1 Công suất

Công suất của máy khoan trộn tạo cọc

có thể chia ra nhiều giai đoạn khác nhau:

- Giai đoạn vận hành không tải hệ thống

thiết bị

- Giai đoạn khoan phá đi xuống với mục

đích làm tơi và mềm đất trước khi trộn tạo cọc,

giai đoạn này có thể áp dụng lý thuyết đào cắt

đất của các tác giả

- Giai đoạn trộn với chất kết dính là xi

măng trong quá trình rút cần khoan lên, hoặc

đưa xuống Trong giai đoạn này có thể áp dụng phương trình ernoulli:

2

2.

g



Trong đó H - Chiều cao cột đất trộn;

2

2.g

 - Chiều cao đi được của cần khoan, còn

gọi là chiều cao vận tốc

Lực cản của cần khoan trong đất tơi tuân theo định luật Newton:

2

,( ) 2.

g





Trong đó :P- Lực cản của khối trộn tác dụng lên cánh trộn,(N);  - Hệ số lực cản, phụ thuộc hình dáng bề mặt cánh trộn, trạng thái và tính chất của đất; F- Diện tích hình chiếu của cánh trộn theo phương vuông góc với bán kính (m2);  - Khối lượng riêng của hỗn hợp trộn (kg/m3)

Để tính được phần công suất trong giai đoạn trộn tạo cọc, ta tính phần công suất của một phân tố diện tích cánh khuấy khi nó quay trong quá trình trộn, như sau:

.

N   dN   dP 

Với :

2

2

và   2  n x

Với bài toán tổng quát, có số cánh trộn là M cánh,

thì vi phân công suất được tính bằng biểu thức:

3

(2 )

2

M = 2,4,6,… nói chung thường là một hằng số chẵn

Thực hiện tích phân này:

3

(2 )

Thay H d , vớ ột hệ số kết cấu Nếu đưa tất cả các hằng số vào chung một hằng số tổng hợp K, ta sẽ thu được

.

N  K  n d ; Nếu đặt M  K  ; Thì ta có: N  M n d3 5 

Suy ra

.

M

N

n d





 ; Kết quả thực nghiệm của quá trình, khi bỏ qua ảnh hưởng

của chuẩn Frut, thì có thể coi như M  EuMlà

chuẩn số Euler;

Ở chế độ chảy tầng là thích hợp với

quá trình trộn tạo cọc trong đất, với chỉ số

Reynolds là ReM < 20, các kết quả nghiên cứu

của Buche, Rushton, Kafarov (Nguồn: Nguyễn

Bin Tr: 209) ta có:

Re

M

M

A

Eu  thì công thức tính công suất động

cơ cho một cặp cánh trộn sẽ là:

3 5

M

Eu

n d





   hay

.

ReM

A

2.Năng suất trộn

Nếu gọi thể tích trộn:

2

4

d

(m3

); t- thời gian trộn;

x l

t

 

v x , v l - lần lượt là tốc độ đi xuống và đi lên của

cần khoan Năng suất trộn tạo cọc:

V Q t

 =

2

4

x l

x l



 (m

3

/phút)

3 Chất lượng trộn :

Trong nhiều tài liệu nghiên cứu của các tác giả, chất lượng trộn của một hỗn hợp nói chung và xi măng – đất nói riêng phụ thuộc chủ yếu vào số lượt cánh trộn đi qua chỗ hỗn hợp cần trộn Hình dáng cánh trộn, vị trí lỗ phun xi măng, áp lực phun, hàm lượng xi măng ảnh hưởng đến quá trình phân tán xi măng trong đất, qua đó ảnh hưởng đến quá trình trộn Tuy nhiên, các thông số này được lựa chọn từ ban đầu (dựa trên các dữ liệu quan trắc nền) trước khi máy được đưa vào thi công Do vậy, việc kiểm soát các nhân tố này là khả thi, vì thế bài báo này không xem xét

Số lượt cánh trộn được tính như sau:

x l

n n

v v

(3)

Nếu chỉ có quá trình phun xi măng khi bộ công tác đi lên thì:

1

1

n

       (3)

Nếu có quá trình phun xi măng khi bộ công tác

đi xuống và đi lên thì:

.

x l

v v

n n

4 Mô hình toán

Nếu chỉ xét riêng quá trình trộn tạo cọc,

hiệu quả sử dụng của máy sẽ càng cao khi

năng suất (Q) càng tăng và công suất (N) càng

thấp Chính vì lý do này, để đánh giá hiệu quả

làm việc tổng hợp của máy trong quá trình trộn,

tính đến tất cả các thông số đã nêu, có thể đưa

vào một tham số là năng suất riêng (Qr), là năng

suất tính cho mộ đơn vị công suất

2

3 5

4

Re

x l

r

M

Q

An d N







 

(A = 4,42 – hệ số thực nghiệm)

Qr càng lớn thì càng tốt Tuy nhiên Qr

không thể hiện được chất lượng trộn Vì vậy cần thêm vào chỉ số T Chỉ số T là chỉ số được biết trước khi thi công bởi vì với mỗi yêu cầu cụ thể của cọc xi măng đất trên công trường (khả năng chịu nén, độ bền, tính chống thấm,…) thì người vận hành máy sẽ biết được ứng với mỗi loại đất sẽ có T (chất lượng) cụ thể Điều này có nghĩa là chỉ số T phải là một giá trị cho trước

Xét tất cả các yếu tố tổng hợp trên, bài báo đề xuất đưa ra một chỉ tiêu tổng hợp S được định nghĩa bằng công thức (1), (2) Dễ dàng nhận thấy công thức (2) là công thức tổng quát, còn công thức (1) là trường hợp riêng của (2) Do vậy, từ đây trở đi chúng ta chỉ xét công thức (2) Khi T2 được biết trước điều có nghĩa là chúng ta đã biết được ràng buộc giữa các thông

số n, M, vx , vl Ví dụ nếu T2  300 thì

=300

x l

x l

v v



 Vấn đề còn lại chỉ là tìm

ra S thông qua (Q )

Từ (1) và (2) nhận thấy: để tìm ra Si lớn

nhất dưới ảnh hưởng của các biến là một bài

toán rất phức tạp Do vậy cần phải dựa vào máy

tính để xử lý Từ mô hình toán học như trên, tác giả đề xuất sử dụng phần mềm MATLAB (phiên bản R2016a) để tính toán

2

3 3

3 5

2

3 3

3 5

khi i=1 (1) 2( )

2 Re

4

2( )

2 Re

M

M

d

d

M









  

  

  

  



x l

x l

v v

v v





Trên thế giới hiện nay, thiết bị thi công

cọc xi măng – đất chủ yếu phân thành 2 nhóm

chính Để minh họa cho mô hình toán ở trên,

tác giả xem xét công nghệ Nhật Bản, với các

thông số kỹ thuật nhập vào và đưa ra kết quả

như trong Bảng 1

Dựa vào công thức (2) cùng kết quả ở trên

chúng ta có một số kết luận như sau:

- d, càng thấp càng tốt

- Re càng lớn, càng tốt

- Khi T thay đổi thì các thông số ràng buộc cũng sẽ thay đổi theo, dẫn đến người vận hành máy cũng được khuyến cáo phải thay đổi sao cho các thông số vận hành càng gần với giá trị tính toán trước thì càng tốt (ví dụ nếu T =

300, thì nên điều chỉnh các thông số càng gần với giá trị cho trong bảng thì càng tốt)

Bảng 1 Các thông số nhập vào

Số vòng quay của trục trộn (n) (vòng/phút) 24  64 46

Đường kính (d) (m) 0,8  1,3 0,8

Số lượng cánh trộn (M) 412 4

Vận tốc xuyên xuống (vx) (m/phút) 1  2 2

Vận tốc rút lên (vy) (m/phút) 0,7  0,9 0,888

Khối lượng riêng của đất ()(kg/m3 )  1800  1800

Hệ số Reynold (ứng với chế độ chảy tầng) < 20 20

Số lượng vòng quay của cánh – cho mỗi 1 mét (T) (T  274) 300 300

III KẾT LUẬN

ằng việc phân tách các thông số điều

khiển thành các nhóm chỉ tiêu năng suất riêng

Qr (đại diện cho chi phí); số lượt cánh trộn T đi

qua (đại diện cho chất lượng) đồng thời mô

hình hóa chúng bằng phương trình toán học

qua đó tìm ra thông số hợp lý ài báo đã giải

quyết cơ bản việc vận hành máy cho thích hợp Nhưng cần phải nói thêm rằng: khi chất lượng đảm bảo (T), năng suất riêng (Qr) càng lớn càng tốt Tuy nhiên, chi phí và chất lượng không chỉ liên quan đến bản thân máy mà còn liên quan đến nhiều vấn đề rộng lớn khác Ví dụ: tay nghề

vận hành máy, năng lực thi công của nhà thầu

(số lượng, chủng loại máy nhà thầu có), chi phí

bảo dưỡng, vận hành, môi trường thi công (ở

rừng, nơi xa xôi hẻo lánh, đồng bằng, địa chất,

địa tầng, ) Chính vì những lý do này nên cần nghiên cứu thêm về những vấn đề trên để đưa được khuyến cáo tối ưu cho người sử dụng, kỹ

sư thiết kế, nhà thầu,…

TÀI LIỆU THAM KHẢO

[1] N Bin, Các quá trình thi ết bị trong công

nghệ hóa chất và thực phẩm, T 2: Nhà xuất

bản Khoa học Kỹ thuật., 2009

[2] V A A.-O Edward L Paul, Suzanne M

Kresta, Handbook of industrial mixing

science and practice: a John Wiley & Sons,

Inc., 2004

[3] S Larsson, Mixing Processes for Ground

Improvement by Deep Mixing: Svensk Djupstabilisering, Swedish Deep

Stabilization Research, Centre, 2003

BASING ON WORKING CONDITIONS, CHOOSING REASONABLE PARAMETER OF SOL – CEMENT COLUMN WORKING EQUIPMENTS

ABSTRACT:

System of soil – cement column working

equipment is imported from other countries

Choosing parameter system which is suitable

with Vietnam building is necessity The target of

this study is: under influence of mixed

requirements, it is possible to choose a set of

parameter reasonable with predetermined

requirements In working, some targets (i.e

capacity, quality,…) are wanted, but they

depend on other ties (i.e cement content, time

of working,…) Because of the complex combined high expenditure of the working, the parameter control is difficult By using math theories, with assumed data, law of parameter relation can be drawn Basing on law, the targets are attainable The article also helps the controllers not to be confused when they choose parameters for working

Keywords: drilled – mixer, equipment system, soil – cement