CÁCH TIẾP cận mới TRONG điều KHIỂN THÔNG số THI CÔNG cọc XI MĂNG đất

Mặc dù phương pháp này đã được sử dụng từ lâu, nhưng trong quá trình thi công cọc phương pháp điều khiển hệ thống thiết bị thi công gần như không thay đổi.. Đó là các thông số điều k

CÁCH TIẾP CẬN MỚI TRONG ĐIỀU KHIỂN THÔNG SỐ

THI CÔNG CỌC XI MĂNG-ĐẤT

Lê Thanh Đức, Nguyễn Hồng Ngân

Trường Đại học Bách Khoa - ĐHQG TP Hồ Chí Minh

TÓM TẮT:

Có nhiều phương pháp thi công cải tạo nền

đất yếu, trong đó có phương pháp trộn sâu để

tạo cọc xi măng-đất Mặc dù phương pháp này

đã được sử dụng từ lâu, nhưng trong quá trình

thi công cọc phương pháp điều khiển hệ thống

thiết bị thi công gần như không thay đổi Với sự

tham dự của máy tính, quá trình điều khiển dễ

dàng hơn Tuy nhiên việc lạm dụng máy tính đã

nảy sinh nhiều vấn đề Đó là các thông số điều

khiển được diễn đạt dưới dạng số vô tỉ vốn chỉ

có ý nghĩa về mặt toán học ít có ý nghĩa trong

thực tế nếu sự thay đổi các thông số là nhỏ Một vấn đề khác, sự thay đổi phức tạp giữa các yếu

tố, trong đó có các yếu tố đan xen nhau và có ảnh hưởng trái nhiều nhau khi thực hiện mục tiêu tạo cọc Điều này cần phải khắc phục vì nó

đã gây khó khăn lớn và đòi hỏi cao hơn ở tất cả các thành phần của hệ điều khiển bao gồm cả máy móc và kỹ năng của công nhân vận hành Phương pháp toán học trong lập trình điều khiển sẽ giải quyết các vấn đề này

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

1 Đặt vấn đề

Khi cải tạo vùng đất yếu cho các công trình

xây dựng, người ta có nhiều phương pháp như:

đóng cọc cứng, xử lý nền bằng bấc thấm,…

Trong các phương pháp này, tạo cọc xi

măng-đất là một phương pháp được sử dụng từ lâu

Trong quá trình thi công tạo cọc, người sử dụng

phải điều chỉnh các thông số điều khiển một

cách gần như vô cấp (ví dụ như: áp suất bơm xi

măng, tốc độ quay bộ công tác khoan trộn,…)

Ngoài ra, sự tương tác giữa các thông số điều

khiển khiến cho việc hợp lý hóa các thông số là

khó khăn Điều này dẫn đến sự phức tạp trong

vận hành, cũng như chi phí không cần thiết cho

hệ thống máy móc tạo cọc Hiện nay trên thế

giới cũng như ở Việt Nam, chưa có nghiên cứu

và thi công thực tế khắc phục vấn đề này

Những biện pháp về mặt lý thuyết được đề xuất

trong bài báo này sẽ giải quyết vấn đề

2 Nội dung nghiên cứu

- Nhóm yếu tố liên quan đến thiết bị: vận tốc lên xuống bộ công tác, vận tốc quay bộ công tác, số cánh trộn, số lần trộn trên 1 m dài,

- Nhóm yếu tố liên quan đến xi măng và đất:

áp lực phun xi măng, lượng xi măng cấp ra, thuộc tính của đất

- Nhóm yếu tố khác: năng suất, công suất, chi phí, độ sâu cọc

Các yếu tố trên đan xen nhau và ảnh hưởng lẫn nhau, ví dụ khi công suất tăng thì năng suất

sẽ tăng, số vòng quay bộ công tác tăng nhưng

có thể làm cho chi phí tạo cọc tăng theo Đây là ảnh hưởng không mong muốn Có một quy luật chung khi xem xét các yếu tố dựa trên tính hữu ích, các biến được đề cập đến biến đổi tuyến tính Hoặc càng cao càng tốt, hoặc càng thấp càng tốt Để tổng hợp tất cả các yếu tố ảnh hưởng này, một giải pháp được đưa ra, đó là

Trong đó:

- dsau: độ sâu cọc

- nq: số vòng quay trộn

- scanh: số cánh trộn

- N: công suất tiêu tốn

- ttr: thời gian trộn

- d: đường kính cọc

- p: áp lực phun

- mximang: lượng xi măng tiêu thụ

Hàm Y có giá trị là số thực Các biến là các số

tự nhiên

3 Kết quả

Dựa vào hàm Y, chúng ta nhận thấy rõ ràng

là: hàm Y có giá trị càng lớn thì càng tốt Hàm Y

đồng thời giải quyết được vấn đề sự tương tác

lẫn nhau của các tham số, và sự phức tạp trong

tính toán của các tương tác này Ví dụ như:

đường kính cọc (d) càng lớn thì càng tốt nhưng

điều này cũng dẫn đến công suất yêu cầu (N) lớn, thời gian trộn lớn… như vậy chỉ tiêu về năng suất và chi phí sẽ không đạt được Việc này dẫn đến chỉ khi nào hàm Y có giá trị lớn hơn thì mới đảm bảo tính hợp lý của các thông

số tương tác lẫn nhau

Với sự phát triển của hệ thống đo lường và máy tính hiện nay, hàm Y có thể được tính toán, lập trình và điều khiển với các tham số đưa vào

có giá trị thay đổi vô cấp Tuy nhiên ở nhiều hệ thống, việc thay đổi lại dựa trên thủ công, điều khiển bằng tay Ví dụ như điều khiển áp suất bơm xi măng Áp suất này là số thực (đơn vị đo là: Mpa) thay đổi vô cấp

Mục tiêu cuối cùng mong muốn đó là chất lượng cọc đáp ứng được yêu cầu đặt ra với các yếu tố ràng buộc hợp lý Trong quá trình thi công việc theo dõi các thông số thay đổi vô cấp không có ý nghĩa nhiều

Để làm giảm sự phức tạp này ta có thể chia các cấp điều chỉnh thành số tự nhiên như ở bảng dưới đây:

Bảng 1 Đề xuất sơ bộ số cấp của các chỉ tiêu

Độ sâu tức thời (dsau) 1 – 30 cấp (độ sâu càng lớn thì cấp càng cao)

Số vòng quay trộn (nq) 1 – 5 cấp (số vòng quay trộn càng nhiều thì

cấp càng cao)

cao)

lớn)

Lượng xi măng tiêu thụ (mximang) 1 – 3 cấp (tiêu thụ càng nhiều thì cấp càng

cao) Loại đất tương ứng (1-3) 1 – 3 cấp (đất càng cứng thì cấp càng cao)

Nhìn vào bảng thông số này, có thể nhận

biết dễ dàng, các giá trị của hàm Y là hữu hạn

(theo bảng trên là khoảng 27.000.000 giá trị)

Mục tiêu của bảng này là thay các giá trị số

thực vốn không cần mức chính xác và khó

nhận biết trên chất lượng cọc thực tế bằng

những giá trị bước (số tự nhiên) có thể nhận

biết sự thay đổi rõ ràng khi kiểm nghiệm sản

phẩm cọc Mặc dù số lượng giá trị Y khá nhiều

tuy nhiên khi khống chế các thông số đầu vào

thì giá trị Y sẽ giảm bớt Điều này có thể thấy

như mô tả của ví dụ dưới đây

Các chỉ tiêu sau khi được chia thành các

cấp còn có thể khắc phục thêm một vấn đề

nữa đó là: khi các chỉ tiêu được khống chế giới

hạn trên và giới hạn dưới sẽ khống chế được

việc đưa vào các thông số vượt quá giới hạn

Ví dụ: đường kính cọc trộn không thể quá

cao hoặc quá thấp, nếu quá cao sẽ vượt quá

khả năng làm việc của máy, lãng phí lớn lớn

về công suất, thời gian trộn… còn nếu quá

thấp sẽ không đảm bảo mục tiêu cải tạo nền

Việc khống chế này khiến cho quá trình điều

khiển trở nên dễ dàng hơn

Việc xây dựng hàm Y dựa trên các số tự

nhiên này còn có một hữu ích nữa, đó là đơn

giản khối lượng tính toán (ví dụ quan hệ công

suất yêu cầu, số cánh trộn, thời gian trộn, là

quan hệ tính toán rất phức tạp nhưng đã được

đơn giản hóa trong hàm này)

Bằng cách khống chế một số thông số đầu

vào đã biết trước chúng ta có thể đề xuất một

bộ thông số hợp lý ở bất kì thời điểm nào khi

thi công cọc Sau đây là ví dụ cho trọng Bảng

2

Với các giá trị đầu vào đã cho như trong bảng có thể nhận thấy rõ ràng: ở Hình 1 với cấp độ sâu dsau = 30 Hàm Y có trị lớn nhất

là Ymax = 46,83 Dựa vào đồ thị có thể thấy Giá trị Y tương quan với hai biến tạo thành mặt nghiêng Kết quả này có được nhờ vào việc lập trình trên máy tính Bài báo này đề xuất sử dụng ngôn ngữ lập trình MATLAB

2016a Giá trị cần thiết để điều khiển được thể hiện trên “lưới” giá trị, và có thể biết được nhờ một nút bấm đơn giản của chuột Cần lưu ý là tất các giá trị thể hiện trên lưới đều có ảnh hưởng đến các thông số về chất lượng của cọc bất kể “lưới” là thưa hay dầy Khi lập trình, bài báo đặt ra giả thiết là các biến tham gia trong đồ thị có tác dụng làm cho giá trị Y (tức Z trên đồ thị) càng cao càng tốt Điều này có nghĩa là biến N sẽ được thay bằng 1/N Chúng ta cũng có thể làm điều ngược lại Tức là đặt giá trị của Y càng nhỏ càng tốt Tuy nhiên cần khuyến cáo là trong điều khiển, với các biến thay đổi khác nhau thì nên chọn thống nhất trong suốt quá trình lập trình hoặc là đồng biến hoặc là nghịch biến Trong đồ thị được cho

ở Hình 1, 2 chỉ có hai biến thay đổi Điều này xây dựng với mục đích là cho người đọc

dễ hình dung Đối với không gian toán học

có thể xây dụng nhiều hơn hai biến tuy nhiên sẽ dẫn đến khó nhận biết trực quan

Vì quan sát của mắt người chỉ là không gian

3 chiều Do vậy nếu muốn nhận biết các yếu

tố thay đổi, có thể sử dụng nhiều đồ thị với mỗi đồ thị cho các cặp nhân tố khác nhau thay đổi

Bảng 2 Ví dụ về thông số điều khiển thi công

Chỉ tiêu Cho mô tả Hình 1 Giá trị đề xuất Cho mô tả Hình 2

Công suất yêu cầu(N) dựa trên

Hình 1 Đồ thị mô phỏng giá trị hàm Y (giá trị Z trên đồ thị) với hai biến thay đổi là công suất N (được thể

hiện bằng giá trị Y), và độ sâu (tức giá trị X)

Hình 2. Đồ thị mô tả giá trị hàm Y (giá trị Z trên đồ thị) với hai biến thay đổi là công suất N (được thể hiện

bằng giá trị Y) và thời gian trộn (tức giá trị X)

Ở Hình 1, giá trị Z hợp lý nhất trong ví dụ

này khi X = 30 (độ sâu lớn nhất), Y = 1 (công

suất yêu cầu nhỏ nhất N = 1) Điều này nghĩa là

độ sâu càng cao lực cản càng tăng, sản phẩm

làm ra sẽ có khối lượng và chất lượng đo đạc

cần thiết với chi phí hợp lý tương ứng với các

ràng buộc đã cho

Ở Hình 2, giá trị của Y đạt Ymax = 27,5 ứng

với N=1 và thời gian trộn ttr = 1 Điều này nói

lên rằng công suất trộn nhỏ nhất, thời gian trộn

nhỏ nhất, thì sẽ có lợi nhất (xét trên góc độ chất lượng đảm bảo và chi phí hợp lý)

4 Kết luận:

Các nghiên cứu trước đây đều chỉ ra rằng: Quá trình tạo cọc xi măng-đất được lập trình và điều khiển thủ công Mặc dù một số công đoạn được lập trình bằng PLC và các giá trị đầu ra được kiểm soát trên máy tính Những tương tác phức tạp như đã đề cập không được hợp lý hóa Ví dụ như các hệ thống dưới đây:

Hình 3 Màn hình của thiết bị tự động đo đạc và kiểm soát chất lượng (FGE, 2014)

Hình 4 Thiết bị này cho phép nhìn thấy biểu đồ và kiểm soát chất lượng, tuy nhiên không cho thấy được giá trị hợp

lý hóa cho các thay đổi (ảnh chụp của Maclcom Drilling Company)

Thiết bị này kiểm soát chất lượng thông qua

các thông số: tỉ lệ xi măng, lượng phun, tốc độ

xuống của bộ công tác nhưng không kiểm soát

- Công suất yêu cầu N phụ thuộc vào: áp lực phun, lượng xi măng tiêu thụ, số vòng quay, lực cản của đất

thi công từng cọc, độ tin cậy của máy, số

lượng máy hiện có, chủng loại thiết bị

Các hệ thống mô tả bằng hàm toán học

không chỉ có các biến đại diện đan xen nhau mà

còn phụ thuộc vào mục tiêu ưu tiên Ví dụ: một

hệ thống muốn ưu tiên thời gian thi công càng

ngắn càng tốt Trong hệ thống này chi phí sẽ

tăng lên do các yếu tố: số lượng máy phục vụ

cần lớn hơn, công suất yêu cầu lớn lên (nhằm

làm giảm thời gian trộn, tăng số vòng quay, thời

gian nâng hạ bộ công tác ngắn lại, giảm thời

gian triển khai máy) Và một số yếu tố khác

như: số lượng nhân công tăng, chi phí khác cho

tổ chức thi công, bảo hộ lao động, đăng

kiểm,…)

Bằng hàm Y được xây dựng đã giải quyết

một phần quan trọng trong lập trình điều khiển,

giúp việc giám sát dễ dàng hơn, hạn chế các

lãng phí và giới hạn thông số quá trình thi công

cọc tránh đưa giá trị điều khiển thi công vượt

quá ngưỡng thực tế thi công của máy Đồng

thời nó cũng tránh được phải theo các thông số

được diễn đạt bằng số thực vốn phức tạp và ít ý nghĩa với trực quan và cảm giác của người điều khiển

Hợp lý hóa các thông số dựa trên hàm số Y còn tồn tại một số vấn đề cần nghiên cứu thêm

Đó là: mặc dù giá trị hàm Y càng cao, càng tốt Tuy nhiên, tầm quan trọng của sự thay đổi của các biến liên quan đến sự nhận biết thay đổi chất lượng và quá trình thi công cọc không được biết Cần có các thí nghiệm để xem những thay đổi ấy như thế nào

Việc phân chia theo từng dải khác nhau của

số tự nhiên để đánh giá tầm quan trọng dựa trên định tính khắc phục một phần vấn đề đặt

ra Nhưng lại nảy sinh một vấn đề khác đó là dải

số thay đổi tùy thuộc vào máy và người thiết lập dẫn đến kết quả khác nhau của hàm Y Do vậy cần phải có tiêu chuẩn chung cho vấn đề này Một đặc điểm nữa đó là hệ thống cần thêm các cảm biến Ví dụ như đo mômen xoắn trên trục động cơ, để quyết định điều khiển công suất sinh ra

TÀI LIỆU THAM KHẢO

[1] M E B D.A Bruce, A.F Dimilio, "Deep

Mixing: QA/QC and Verification Methods."

[2] P D Gray Mullins, P E and Manjriker

Gunaratne, Ph D., P E., SOIL MIXING

USE IN HIGH ORGANIC SOILS University

of South Florida, Civil and Environment

Engineering

[3] N D a G V Lysebetten, "SUMMARY OF THE SHORT COURSES OF THE IS-GI

2012 LATEST ADVANCES IN DEEP MIXING," 31 May & 1 June 2012

[4] G V L Nicolas Denies, "General Report SESSION 4 – SOIL MIXING 2 – DEEP MIXING" 31 May & 1 June 2012

NEW APPROACH IN CONTROL PARAMETERS OF CONSTRUCTION

MAKING SOIL – CEMENT MIXING COLUMN

ABSTRACT

There are many methods to improve soft

ground One of these is deep mixing to make

soil – cement column Although this way has

been used a long time, the method controlling

system of equipments is nearly unchanged in

building operations With using computer,

process of control is easier However, abuse of

computer makes some problems The

parameters are expressed in irrational numbers

These numbers have meanings in math, and

they don’t have in practices if variations are

small Another problem is the changing of complex factors that interact and have the reverse direction of influences This problem emerges when an operator makes the column The user must overcome all of the obstacles because the issue makes big difficulties Besides, it demands higher complicated control systems of equipment and more skillfull workers Programmer using math solution in control disentangles the matter

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