tính toán thiết kế “ máy đóng cọc va rung

Xử lý nền móng là một công tác không thể thiếu được đối với bất kỳ một công trình xây dựng nào. Công cụ để làm công tác này gồm rất nhiều loại máy khác nhau. Trong số đó máy đóng hạ cọc vô cùng đa dạng về chủng loại, thuyết minh đồ án tốt nghiệt này sẽ trình bày về máy đóng cọc va rung. Thi công nền móng là một trong các lĩnh vực phức tạp và tốn kém nhất khi xây dựng các hạng mục trong công trình cầu, đặc biệt đối với những cầu qua những sông lớn. Trong trường hợp điều kiện địa chất phức tạp, riêng giá thành xây dựng móng đ• có thể chiếm tới 35 - 45% tổng giá thành công trình (mức trung bình cũng vào khoảng 24 - 30%). Trong đó riêng vật liệu xây dựng móng chỉ chiếm 20 - 30%, phần còn lại là chi phí cho nhân lực và trang thiết bị công nghệ thi công. Về phương diện thời gian, xây dựng móng nói chung và xây dựng móng cầu nói riêng thường chiếm qúa nửa thời gian xây dựng toàn công trình. Những năm gần đây, nhiều công nghệ mới trong thi công nền móng đ• xuất hiện, thay thế một số phương thức thi công cũ, tốn kém tiền của, kéo dài thời gian và thiếu an toàn lao động. Tuy nhiên không phải tất cả các loại móng nói chung móng cầu nói riêng điều áp dụng hiệu quả với công nghệ mới. Vì thế, những giải pháp thi công truyền thống và kinh điển vẩn áp dụng một cách hữu hiệu, nhất là những công trình cầu vừa và nhỏ. Những công trình này là chiếm một tỷ lệ lớn trong các tuyến đường địa phương và quốc lộ. Trong đó số móng cọc chiếm đại bộ phận, sau là móng nông và móng giếng chìm. Để giúp chúng ta có một kiến thức tổng hợp về công nghệ và kỹ thuật thi công móng, bằng những thiết bị máy móc hiện đại để mang lại những lợi ích kinh tế (đạt được năng xuất, hiệu quả, chất lượng cao). Nhất là trong công cuộc đổi mới nước ta hiện nay rất nhiều công trình đ• và đang được xây dựng. đặc biệt là ở các thành phố lớn như Thành Phố Hồ Chí Minh, Hà Nội, và các các Thành Phố lớn khác, đang ra sức tiến hành xây những cơ sở hạ tầng như đường xá, nhà ga, bến tầu, khách sạn, sân vận động, sân bay. Một trong những công tác không thể thiếu được của việc xây dựng là xử lý nền móng, cụ thể là công tác đóng, hạ cọc. Mỗi công trình cần hàng trăm đến hàng vạn cọc . Như vậy nhu cầu đóng cọc ở nước ta là rất lớn. Vì vậy nhu cầu của máy móc thiết bị phục vụ cho công tác xây dựng là rất lớn và không thể thiếu được trong bất cứ công trình xây dựng nào.

Lời nói Đầu

Xử lý nền móng là một công tác không thể thiếu đợc đối với bất kỳ mộtcông trình xây dựng nào Công cụ để làm công tác này gồm rất nhiều loại máykhác nhau Trong số đó máy đóng hạ cọc vô cùng đa dạng về chủng loại, thuyếtminh đồ án tốt nghiệt này sẽ trình bày về máy đóng cọc va rung

Thi công nền móng là một trong các lĩnh vực phức tạp và tốn kém nhất khixây dựng các hạng mục trong công trình cầu, đặc biệt đối với những cầu quanhững sông lớn Trong trờng hợp điều kiện địa chất phức tạp, riêng giá thành xâydựng móng đã có thể chiếm tới 35 - 45% tổng giá thành công trình (mức trungbình cũng vào khoảng 24 - 30%) Trong đó riêng vật liệu xây dựng móng chỉchiếm 20 - 30%, phần còn lại là chi phí cho nhân lực và trang thiết bị công nghệthi công Về phơng diện thời gian, xây dựng móng nói chung và xây dựng móngcầu nói riêng thờng chiếm qúa nửa thời gian xây dựng toàn công trình

xuất hiện, thay thế một số phơng thức thi công cũ, tốn kém tiền của, kéo dài thờigian và thiếu an toàn lao động Tuy nhiên không phải tất cả các loại móng nóichung móng cầu nói riêng điều áp dụng hiệu quả với công nghệ mới Vì thế,những giải pháp thi công truyền thống và kinh điển vẩn áp dụng một cách hữuhiệu, nhất là những công trình cầu vừa và nhỏ Những công trình này là chiếmmột tỷ lệ lớn trong các tuyến đờng địa phơng và quốc lộ Trong đó số móng cọcchiếm đại bộ phận, sau là móng nông và móng giếng chìm

công móng, bằng những thiết bị máy móc hiện đại để mang lại những lợi íchkinh tế (đạt đợc năng xuất, hiệu quả, chất lợng cao) Nhất là trong công cuộc đổimới nớc ta hiện nay rất nhiều công trình đã và đang đợc xây dựng đặc biệt là ởcác thành phố lớn nh Thành Phố Hồ Chí Minh, Hà Nội, và các các Thành Phốlớn khác, đang ra sức tiến hành xây những cơ sở hạ tầng nh đờng xá, nhà ga, bếntầu, khách sạn, sân vận động, sân bay

Một trong những công tác không thể thiếu đợc của việc xây dựng là xử lýnền móng, cụ thể là công tác đóng, hạ cọc Mỗi công trình cần hàng trăm đếnhàng vạn cọc Nh vậy nhu cầu đóng cọc ở nớc ta là rất lớn

Vì vậy nhu cầu của máy móc thiết bị phục vụ cho công tác xây dựng là rấtlớn và không thể thiếu đợc trong bất cứ công trình xây dựng nào

Do vậy trong đồ án này, cũng với sự hiểu biết về máy xây dựng Em xinmạnh dạn tiến hành tính toán thiết kế “ máy đóng cọc va rung”

Nội dung thuyết minh sẽ trình bày các phần gồm các chơng:

- Các phơng án đóng hạ cọc Giới thiệu máy thiết kế

- Cơ sở lý thuyết tính toán máy đóng cọc va rung

- Tính toán các thông số động học và chọn công suất động cơ của máy varung

- Thiết kế và tính bền các chi tiết chính của máy va rung đã chọn

Vì khối lợng công việc lớn nên trong quá trìng tiến hành trắc không thể tránh

đ-ợc sai sót Em mong đđ-ợc sự chỉ dẫn giúp đỡ của các thầy, cô

Cuối cùng em xin cảm ơn các thầy

Chơng I Xây dựng phơng án đóng hạ cọc bằng rung.

Giới thiệu máy thiết kế

I Giới thiệu về công tác đóng, hạ cọc

1.Giới thiệu về cọc.

Trong công cuộc đổi mới nớc ta hiện nay rất nhiều công trình đã và đang

và sẽ đợc xây dựng Đặc biệt là ở Hà Nội, Thành Phố Hồ Chí Minh và các thànhphố lớn khác đang ra sức tiến hành xây những cơ sỡ hạ tầng nh đờng xá, nhà ga,bến tầu, khách sạn, sân vận động, sân bay

Một trong những công tác không thể thiếu đợc của việc xây dựng là xử lýnền móng, cụ thể là công tác đóng, hạ cọc Mỗi công trình cần hàng trăm đếnhàng vạn cọc Nh vậy nhu cầu đóng cọc ở nớc ta là rất lớn

Cọc có rất nhiều loại:

+ Căn cứ vào đặc tính làm việc của cọc có :

Đợc dùng phổ biến và sử dụng nhất hiện nay là cọc bê tông cốt thép

Chiều rộng (a) của cọc thờng từ 50-300 mm hoặc có thể lớn hơn, chiều dài L ờng từ 6 -18 m

Là thiết bị công tác dùng để phục vụ các thao tác:

Đóng cọc, cẩu cọc, chỉnh cọc, cẩu và dẫn hớng quả búa khi đóng cọc Trênthực tế giá búa đợc sử dụng rất đa dạng, tuỳ thuộc vào công nghệ đóng cọc Đơngiản nhất là sử dụng cần trục, có giá cần đóng búa treo (không có dẫn hớng),cách này sử dụng khá phổ biến tại các tỉnh miền nam, tuy nhiên năng suất thấp,khó đóng cọc xiên và hay dùng để đóng cọc thép hoặc cọc ván thép Ngời ta th-ờng dùng quả búa thuỷ lực hoặc rung để đóng, búa treo trên những cần trụcthông thờng ( chỉ có một móc cẩu ) do khả năng khởi động từ xa của quả búa,còn khi dùng quả búa diêzen cần trục phải có hai móc cẩu (một móc cẩu giữ, cẩuquả búa còn móc kia kéo pít tông khởi động nổ quả búa) Để tăng khả năng đóngbúa treo nhất là trong các trờng hợp không thể dùng các thiết bị đóng cọc khác (

đóng cọc lớn ở điều kiện thời tiết khắc nhiệt : sóng, gió, dòng chảy lớn ) ngời tathiết kế thêm thiết bị dẫn hớng lắp trên sàn đạo có thể xoay bốn phía với bốngóc nghiêng khác nhau cho phép đóng cọc xiên theo các chiều khác nhau Sàn

đạo đợc chế tạo theo mođun, lắp trên các đầu cọc bằng chính cần trục phục vụ

đóng cọc, nhờ vậy có thể đóng cọc dọc chiều dài tuyến mà không cần thiết bị hỗtrợ khác

Giá búa bao gồm các bộ phận chủ yếu sau:

+ Bệ gía búa : Gồm khung sàn, có thể di động theo đờng ray đặt trên mặt đất,

đứng, bản thân bánh răng cũng có thể quay trục đứng và điều chỉnh đợc cao độ.+ Khung giằng: Để giữ cần giá búa, thờng cấu tạo bởi thép ống và thép hình tạothành một khung không gian hình tháp, hoặc kết hợp với cột dẫn cọc thành kếtcấu có dạng cần trục Đơn giản hơn khung giằng chỉ gồm hai thanh chống bằngthép ống, điều chỉnh đợc chiều dài khi đóng cọc xiên âm hoặc dơng

+ Cần giá búa hoặc cột dẫn gồm hai thanh so đũa song song, kéo dài từ bệ khungsàn tới đỉnh giá búa, dùng để dẫn hớng búa và cọc theo chiều thẳng đứng hoặcxiên đã quy định trong thiết kế

Khi đóng cọc dài, cần giá búa có thể kéo dài kiểu ống nhòm lên phía đỉnh.Nhng nếu giá búa đặt trên sàn đạo cao hoặc trên sà lan, cần giá búa có thể nốimột đoạn cột dẫn phụ, về phía dới khung sàn và liên kết bằng bu lông

+ Thiết bị treo trục: Giá búa có thể gắn một bộ ròng rọc trên đỉnh, vừa để nânghạ búa, vừa sách đặt cọc dựng vào cần Nhng thông thờng giá búa đợc trang bị

hệ ba ròng rọc trên đỉnh Bộ giữa phục vụ búa, hai bộ kia dành cho cọc

Trên sàn giá búa kết hợp bố trí bàn tời, trang thiết bị cung cấp năng lợng,trạm điều khiển v v

Khi thi công đóng hạ cọc nên lu ý một số vấn đề liên quan đến giá búa sau :

- khẳng định giá búa luôn luôn ở t thế chính xác và vững chắc khi đóngcọc Nếu cần búa không thẳng đứng và còn lắc ngang, búa sẽ giánglệch tâm xuống đầu cọc và nguy cơ gãy cọc hoặc đóng lệch tim rất dễxẩy ra

- Độ lún lệch của giá búa trong khi đóng cọc cũng ảnh hởng đến chất ợng của thi công Đặc biệt đối với cọc xiên, ngoài vấn đề kiểm tra theodõi độ xiên và tim cọc, còn phải khống chế giá búa không cho lún dù

l-là lún đều Nếu không, trong khi đóng cọc trọng lợng giá búa có thểtrực tiếp ảnh hởng tới cọc đang đóng và càng tăng thêm nguy cơ gãycọc

Trờng hợp không cần thiết phải điều động giá búa đặc chủng, chẳng hạn khi

đóng các loại cọc nhẹ (cọc gỗ, cọc ray), cọc thử hoặc cọc ván loại nhỏ, dùng vớibúa nhẹ, có thể tự tạo ra các loại búa thô sơ bằng gỗ, hoặc kết hợp với thép hình.Nguyên tắc cấu tạo là nhẹ nhàng, dễ di chuyển, dễ tháo lắp, dùng đợc nhiều lần

và đa năng Vừa nâng vừa hạ, vừa cẩu và dẫn cọc, có thể đóng nhiều loại cọc,nhiều kiểu bố trí cọc, trong nhiều tình huống khác nhau Giá búa đóng cọc —th-ờng đợc chọn cùng với búa và căn cứ vào chiều dài cọc, hớng đóng (cọc thẳnghay cọc xiên theo chiều âm hay dơng), trọng lợng búa và cọc Nếu đóng cọcxiên, giá búa phải có cần phù hợp, tránh tình trạng ép buộc Độ cao hữu hiệu củagiá búa phải lớn hơn chiều dài cọc đóng, cộng với độ an toàn khoảng 0,5m trởlên

Nếu đóng cọc ở nơi có nớc mặt hoặc giá búa đứng trên bờ hồ móng đã đào, cóthể giảm bớt độ cao đó một đoạn bằng độ sâu mực nớc hoặc hố đào.

Ngoài vấn đề chiều cao, chọn giá búa còn phải tính đến khả năng về sức nângsao cho phù hợp với trọng lợng cọc và búa Nếu không lại phải dùng cần trụckhác, cẩu và lắp cọc vào giá búa

Riêng giá búa để hạ cọc ống đờng kính lớn đến nay cha đợc chế tạo đặcchủng, vì hạ cọc ống thẳng chỉ cần sử dụng các khung dẫn, còn đối với cọc ốngxiên có thể dùng loại giá búa lớn vạn năng, trọng tải 20 tấn trở lên Nếu không,cũng có thể tự tạo bằng cách lắp ráp các thanh “vạn năng” ( chẳng hạn các thanh

U, Y, K, M ), để ghép thành giá búa với cần dẫn cọc nghiêng và giàn bệ, nối vớinhau bởi thanh chống có tăng đơ điều chỉnh bằng độ xiên đóng cọc

Ta có sơ đồ phân loại giá búa nh sau:

Căn cứ vào sơ đồ trên ta thấy có ba loại giá búa cơ bản:

1.Giá búa ghép trên máy cơ sở:

Là thiết bị đợc lắp thêm vào một máy cơ sở sẵn có nào đó (thờng là một cần trụcbằng xích hoặc bánh hơi), thiết bị lắp thêm vào là phần dẫn hớng quả búa khi

đóng cọc Sử dụng giá búa loại này rất tiện lợi, tiết kiệm đầu t do có thể sử dụngmáy cơ sở vào việc khác đợc

2 Giá búa cấu tạo trên máy cơ sở :

Là thiết bị đợc thiết kế và chế tạo trên một máy cơ sở ( máy kéo, cần trục, máyxúc ) Trên cơ sở sử dụng nguồn năng lợng, các kết cấu và cơ cấu của máy cơ

sở, ngời ta cải tạo và cấu tạo thêm một số bộ phận nh khung gầm, hệ thống thuỷ

Giá búa

Giá búa chuyên

lực, điều khiển của máy cơ sở cho phù hợp với sự làm việc của giá búa Sự cảitạo này không ảnh hởng đến các chức năng chính của máy, do đó củng nh giábúa ghép trên máy cơ sở, sử dụng giá búa loại này rất tiện lợi và tiết kiệm.

3 Giá búa chuyên dùng:

Là thiết bị đợc thiết kế và chế tạo chuyên dùng để đóng cọc, đơn giản nhất làcác loại giá búa cố định tháo lắp nhanh, loại nhỏ (dùng đóng cọc dài đến 12m).Giá búa điện di chuyển trên đờng ray dùng quả búa diêzen 2,5T, 3,5T đóng đợccọc bê tông cốt thép dài đến 18m đợc sử dụng khá phổ biến ở nớc ta Giá búa lắptrên phao nổi, đóng cọc dới nớc phục vụ thi công các công trình đờng thuỷ,cảng các giá búa này có loại rất lớn còn đợc gọi là tàu đóng cọc có thể đóng đ-

b Qu¶ bóa lµm viÖc theo nguyªn lý va ®Ëp:

Qu¶ bóa h¬i, bóa treo, bóa diªzen, qu¶ bóa thuû lùc

+ Bóa treo:

Là búa chạy bằng tời điện và dây cáp Búa nặng từ 0,5- 2 tấn Cấu tạo búa đơngiản bền lâu Độ cao nâng búa thờng phụ thuộc vào cờng độ chịu nén của cọc từ2,5 - 4 m Năng xuất búa thấp mỗi phút chỉ đóng đợc từ 4 đến 10 nhát Búa treochỉ dùng khi khối lợng công tác tơng đối nhỏ (Hình 3)

+Búa trọng lực hay búa rơi tự do (Hình.4)

Đó là những khối gang hoặc thép đúc, khối lợng từ 100 đến

3000 kg đôi khi tới 5000 kg, có móc treo hoặc quai xách Khi đóng

cọc, búa đợc nâng lên bằng tời tay hoặc tời điện và thả rơi tự do xuống đầu cọc ở

độ cao từ 1,5 đến 3 đến 4 m Để dẫn hớng và bảo đảm kỹ thuật, nhất là an toànkhi đóng cọc, thủ búa thờng rơi trợt trên hai thanh “so đũa” của giá búa Nếu búanhỏ (cỡ 500 kg trở xuống) có thể chỉ cần một thanh thép 40 đến 45 luồn

xuyên tâm quả búa và đợc giữ cố định quả búa ở vị trí thẳng đứng trên đỉnh cọc

gỗ cần đóng Giá búa trong trờng hợp này sẽ có thể tự tạo bằng một giá ba chạc

đơn giản, hoặc giá búa gỗ, nếu phải đóng nhiều cọc

Tốc độ đóng cọc bằng búa trọng lực rất chậm, phụ thuộc năng lợng cơ bắp sảnsinh trong quá trình thao tác nhân lực ( tần số chỉ đạt khoảng từ 3 - 4 nhát đến

10 - 18 nhát trong một phút ) Nếu dùng tời điện cũng chẳng hơn nhiều Vì thếnăng suất rất thấp và kém hiệu quả

Giá búa phải cao hơn chiều dài cọc khá nhiều mới đóng đợc cọc lúc ban đầu

Đóng cọc bằng búa trọng lực còn có nhợc điểm là rất khó khống chế chiều caorơi búa, dễ xẩy ra nguy cơ gãy cọc, nếu ngời điều khiển không có kinh nghiệm

do đóng quá mạnh khi thấy cọc khó xuống

Búa trọng lực chỉ sử dụng khi đóng cọc nhỏ, trong nền đất trung bình, xuống

độ sâu không lớn (khoảng 4-5m tối đa) và lúc không sẵn các loại búa khác.Ngoài ra, cũng có khi dùng loại búa này để đóng cọc thử, vì nếu thuê hoặc điều

động các loại buá hiện đại hơn để đóng vài ba cọc sẽ không kinh tế

Quả búa tác động đơn và quả búa tác động kép, cọc đợc ấn vào nền do năng ợng rơi tự do của đầu búa tác dụng trực tiếp lên cọc, năng lợng của hơi nớc hoặckhông khí nén chỉ dùng nâng đầu búa lên cao Trong quả búa tác động năng lợngcủa hơi nớc hoặc không khí nén không những dùng để nâng đầu búa lên cao mà

l-có tác dụng đẩy nhanh chúng rơi xuống đầu cọc

1 Búa đơn động: (Hình 5)

Búa đơn động loại thông thờng gồm:

- Quả búa, một khối thép nặng có dạng xi lanh, di động dọc theo cần dẫn hớngcủa giá búa ( nhiều nớc gọi là “con cừu’’ vì nhảy lên xuống liên tục ) Đó là bộphận xung kích của búa

- Pittông, ở trong lòng xi lanh, có cần dài gắn với trung tâm của đầu cọc

Nguyên lý làm việc của búa là dùng hơi nớc có áp lực đẩy xilanh của búalên Do trọng lợng của búa dơi tự do xuống đầu cọc

Trên nắp xilanh có khoá dẫn hơi ba chạc để phân phối hơi nớc hoặc không khínén vào buồng trên của xilanh Khoá phân phối là một ổ trục có lỗ xuyên tâm và

lỗ bán kính ( nữa xuyên tâm ) thẳng góc với nhau, để buồng trên của vỏ xilanhkhi thông với không khí bên ngoài thì nhánh dẫn hơi đợc khó chặt và ngợc lại

nhàng theo chu kỳ, làm cho xilanh ( quả búa ) nảy lên và rơi xuống nhịp nhàng,

đóng vào cọc

Nh vậy, chỉ có phần xi lanh vỏ quả búa tạo ra động năng khi rơi tự do nh búatrọng lực Để nâng thủ búa lên và tạo ra thế năng, trong buá đã dùng hơi cao ápthay cho sức kéo thủ công hoặc tời điện dùng trong búa trọng lực Do đó hơi nớchoặc khí nén chỉ có tác dụng một chiều : búa đánh đơn hoặc búa đơn động

Hiện nay búa đơn động có nhiều mẫu mã cải tiến đặc biệt là bộ phân phối kínén đã có thể điều khiển tự động

Trọng lợng của búa cũng thay đổi theo từng nớc sản xuất Búa lớn nhất hiệnnay là Menck MRBS 7000 SL với “con cừu’’ nặng tới 80 tấn Nhng nói chungcác loại búa đơn thông dụng thờng có trọng lợng từ 2,6 - 11 tấn ( có khi tới 55tấn ) trong đó phần gây xung lực của búa rất nặng, tuỳ theo mẫu mã, có thể từ1,8 - 8,2 tấn (27,3 tấn), có khi chiếm hơn 70% tổng trọng lợng

Độ cao rơi của thủ búa tối đa có thể tới 1,37 - 1,5 m, nhng thờng đợc điềukhiển tự động bằng cần gạt để phân phối khí nén, hạn chế độ cao rơi của búatrong giới hạn 1,2 m, tránh sự cố cho cọc Thờng những nhát búa nặng nhng độrơi thấp sẽ hiệu quả hơn và cọc ít bị hỏng so với trờng hợp của búa nhẹ mà độnẩy cao, đặc biệt đối với cọc đóng trong đất sét chắc

Tần số rơi của búa đơn động thờng trong khoảng 30 - 60 nhát/phút Năng ợng mỗi nhát búa từ 27 - 100 KNm ( quả búa 27,3 tấn sản ra năng lợng 249KNm/nhát)

Bình thờng búa hơi đơn đơn động tiêu thụ lợng hơi khoảng 350 đến 1500

daN/cm2 Kích thớc bề ngoài của búa đơn động rất lớn, chiều cao búa từ 2,8 - 4,9

m Vì vậy giá búa đóng cọc phải cao và chắc khoẻ

Búa hơi đơn động tuy nặng nề và có kích thớc lớn, nhng cấu tạo đơn giản, dễsữ dụng và có năng lợng lớn, nên thờng dùng để hạ các cọc bê tông cốt thép dài

và nặng

Hình 5 Sơ đồ nguyên tắc của búa hơi đơn động

1 Lỗ thoát hơi 5 Pittông 9 Cần giá búa

2 Khoá phân phối 6 Cần pittông 10 Cọc

động năng hơn nữa để hạ cọc đạt hiệu quả hơn

áp lực hơi nớc hoặc khí ép tác động cả hai chiều lên xuống của phần động

Do đó búa đánh kép còn có tên là búa hơi đơn động (Hình 6) giới thiệu sơ đồcấu tạo của búa kép Khác với búa đơn, xilanh trong búa kép là bộ phận cố địnhgắn liền với thân búa và cọc Bộ phận di động lại là pittông có cán, nối liền vớiquả búa Trong thành rỗng của xilanh bố trí bộ phân phối khí ép (hoặc hơi nớc),hoạt động có chu kỳ, nạp hơi ép vào ngăn trên và ngăn dới của xilanh Khi hơidồn vào ngăn dới, píttông đợc nảy lên và ngợc lại Pittông kéo theo cả quả búa,nên rơi xuống ngoài trọng lợng bản thân của píttông và quả búa giáng xuống đầucọc, còn có áp lực bổ xung của hơi ép, đợc nạp đúng lúc vào ngăn trên

Trọng lợng bản thân phần xung kích (quả búa ) của búa kép thờng dùng chỉnặng từ 600 kg đến 2250 kg Độ cao lên xuống của quả búa và píttông chỉ từ 0,4

đến 0,58 m và tạo ra năng lợng từ 9,5 đến 27,0 kNm mỗi nhát Tuy nhiên, vì tần

số khá cao, khoảng từ 100 tới 300 nhát đập trong một phút, nên công suất cũng

t-ơng đt-ơng búa đơn, mặc dù kích thớc búa có nhỏ hơn (chiều cao 2,4 đến 3,0 m ),

và tổng trọng lợng tơng đối nhẹ hơn ( từ 3-5,2 tấn ) trong đó phần xung kích chỉchiếm 20 đến 30% Một số nớc đã sản suất búa kép nặng tới 37,7 tấn, trong đóphần động nặng 18,2 tấn, sản ra năng lợng 157 kNm và tần số là 100 nhát/phút(Vulcan 400C )

Để cung cấp khí ép cho búa thờng sở dụng máy nén khí có công suất trên dới

cần giá búa, quả búa không giáng trực tiếp vào đầu cọc, ít phá vỡ đầu cọc Vìbúa kép có vỏ kín nên có thể dùng để đóng cọc trong nớc sâu tới 20 đến 25 m Dùng búa hơi song động cần chú ý nhất là vấn đề liên kết chắc với đầu cọc,tránh cho búa không bị nẩy bật tung ra khỏi đầu cọc, đồng thời cần đặt búa vàcọc sao cho trùng tâm và thẳng hàng, tránh lắc ngang rất bất lợi Nếu búa kép đ-

ợc trang bị thêm một lỡi đục, có thể sử dụng búa để phá đá cứng Nếu gá thêmmột bộ hàm kẹp, có thể dùng búa để nhổ cọc Trong các loại búa hơi kiểu xung

động của hãng BSP, ngời ta còn lợi dụng phần đệm thừa nằm giữa khối

xung kích nặng 1,1 tấn và tấm dẫn hớng để giảm tiếng ồn khi búa đóng cọc vánthép

Cả hai loại búa hơi nói trên đều tốn nhiều năng lợng và đòi hỏi phải có trangthiết bị đi kèm nh nồi hơi hoặc máy nén khí, ống dẫn hơi ép v.v Búa hơi có thể

đóng đợc cọc xiên tới 1:1

Hình 6 Sơ đồ cấu tạoBúa hơi song động

+Búa đóng cọc thuỷ lực: Làm việc nhờ chất lỏng hoặc khí ép (Hình 7).

- Búa đơn động: Dùng chất lỏng có áp lực đa búa lên cao, sau đó búa rơixuống nhờ trọng lợng bản thân Trọng lợng búa từ 1,5 đến 8 tấn Sốnhát đóng đợc trong một phút khoảng 25 đến 30 nhát Cấu tạo búa đơngiản dễ sử dụng

- Búa song động: Dùng chất lỏng đa búa lên rồi sau đó lại dùng chấtlỏng có áp lực hạ búa xuống Ưu điểm năng suất cao, mỗi phút đóng đ-

ợc từ 200 đến 300 nhát, làm việc tự động Nhợc điểm chính của búanày là trọng lợng chết lớn chiếm 80% trọng lợng búa

Hình.7 Búa đóng cọc thuỷ lực

1 Đế búa 7 Van một chiều

2 Thân búa 8 Không gian trên pittông

th-bê tông cốt thép Nhợc điểm chính của hai loại búa này là những nơi đất mềm thì

độ đối kháng của cọc sẽ nhỏ Cọc và búa tụt xuống nhanh nên nhiên liệu khôngcháy đợc

Lúc đầu bộ phận xung kích đợc kéo lên bằng tời Nhiên liệu đợc phun vàobuồng nén ngay khi bộ phận xung kích đợc thả rơi Không khí và nhiên liệu bịnén và nóng lên, biến thành một hỗn hợp ở trạng thái sơng mù Khi đủ nhiệt độ,

“ bụi hơi’’ nhiên liệu bị bốc cháy cùng với không khí nén, sẽ gây nổ Kết quả làcọc bị đóng xuống và phần xung kích bị nẩy lên tiếp tục một chu kỳ khác.

Búa diêzen thờng có ba loại:

- Búa diêzen loại hai cọc dẫn: ở loại này xilanh làm nhiệm vụ đầu búa.Chuyển động lên xuống theo hai cọc dẫn (Hình 8)

Phần trên là xi lanh di động, nẩy lên và rơi xuống đều trợt trên hai thanhthép tròn bố trí song song Phần dới là pittông cố định, có ống dẫn và phunnhiên liệu ở trung tâm Do tải trọng bản thân rơi xuống, tạo ra với pittông mộtbuồng kín và bật lẫy để nhiên liệu tự động phun lên và bị nén cùng không khí

đến mức bốc cháy, tạo ra năng lợng nổ rất mạnh, làm nẩy xilanh và dội lêncọc một phản lực lớn Sau đó xilanh lại tự động rơi và những chu kỳ khác cứthế tiếp diễn

H×nh 8 Bóa ®iªzen hai cäc dÉn

1 Xi lanh

2 Pít tông

-Búa đóng cọc kiểu ống dẫn: Pít tông làm nhiệm vụ đầu búa Tốc độ đóng cọc

thờng từ 50 đến 60 lần một phút Điều kiệt cháy tốt hỗn hợp, hỗn hợp sau khicháy thải tơng đối sạch (Hình 10)

Phần vỏ búa cố định với cọc gồm : Một ống xilanh dài, dới khối đe có hốc

chỏm cầu, xung quanh là hệ thống chứa và phun nhiên liệu

Khi pittông đợc thả dơi tự do, trong xilanh không khí bị nén lại đến một mức nào

đó pittông chạm bẫy, phun nhiên liệu vào hốc chỏm cầu dới đáy buồng nén Khihỗn hợp nổ, xilanh và cọc bị ấn xuống, pittông lại nhảy lên trong vỏ xilanh vàkhi động năng biến thành thế năng pittông lại rơi xuống thực hiện một chu kỳmới Lúc đóng cọc, búa đợc kẹp và trợt theo cần của giá búa

Nói chung, các loại búa điêzen đợc nhiều hãng sản xuất

Trong đó loại lớn nhất có tổng trọng lợng 36,6 tấn và cho năng lợng tới 361kNm.Các loại búa kiểm soát đợc năng lợng bằng cách điều chỉnh lợng nhiên liệu nạpvào buồng nén ( búa điêzen Link-Belt )

Ưu điểm của búa điêzen so với búa hơi có thể kể nh sau :

- Rất cơ động, tơng đối nhẹ so với búa đơn động

- Không cần trang bị các trạm cung cấp năng lợng ( nồi hơi,

máy ép khí, ống dẫn)

- Dùng nhiên liệu lỏng rẻ tiền ( dầu mazút, dầu hoả)

- Tốn ít nhiên liệu (khoảng 4 đến 16 lit/h, nhiên liệu dùng triệt

để )

- Búa dễ thao tác, cho năng suất cao

- Hệ số hiệu dụng tốt hơn búa hơi, năng lợng nổ truyền trực tiếp vào phầnxung động của búa

Tuy nhiên, búa điêzen có nhợc điểm là :

- Chỉ hạn chế đóng những cọc thẳng hoặc có độ xiên tối đa

3:1 đến 4:1

- Không hiệu quả khi đóng cọc trong đất yếu Khi nổ, cọc lún

đủ áp lực và nhiệt độ đốt cháy hổn hợp nhiên liệu cho chu kỳ sau Do đó phảithao tác lại từ đầu, năng xuất giảm

- Ngoài ra, khi chọn búa phải phù hợp với trọng lợng cọc

Nếu cọc nhẹ búa không sử dụng hết công suất Nếu cọc nặng quá, búa không đủkhả năng, đóng sẽ chối, thời gian kéo dài rất có hại cho tuổi thọ của búa.( Đóng

sâu 10 đến12m trung bình khoảng 20 đến 30 phút, nếu thấy lâu hơn, cần chọnbúa khác, có trọng lợng phần xung kích lớn hơn ).

Ngoài ba loại búa trên, còn dùng các loại búa thuỷ lực, nâng bộ phận xungkích bằng chất lỏng có áp và để rơi tự do trên cọc

Búa thuỷ lực ít gây tiếng ồn và xung động, không gây ô nhiễm môi trờng

nh búa điêzen Búa thuỷ lực có thể cho tác dụng đơn độc hoặc ghép nhóm Khighép nhóm búa thuỷ lực có bộ phận động cực nặng, tới 37,4 tấn (toàn nhóm 60tấn) và sản ra năng lợng 540 kNm mỗi nhát Búa thuỷ lực dùng hợp lý trong tr-ờng hợp đóng cọc dới nớc có bệ móng nằm trong đất ở sâu dới mặt nớc, nh vậykhi đóng không phải dùng cọc đệm nối thêm, giảm bớt trọng lợng đóng, nângcao năng suất và giảm thời gian thi công, hoặc không phải cắt bớt cọc nh khidùng các loại búa khác nh búa đơn, búa điêzen vv Ngoài ra, búa thuỷ lực còn

có khả năng điều chỉnh năng lợng và số lợng nhát búa trong một phút, rất cần khi

đóng cọc dài và thanh mảnh (thao tác bằng các van điều chỉnh, nên có thể dùngthủ công hoặc theo chế độ điều khiển tự động )

Nguyên lý làm việc của búa rung là lợi dụng lực gây rung do trục lệch tâmhoặc do đĩa lệch tâm gây ra để chuyển vào cọc.

Trong quá trình đóng cọc, cọc lún do rung động với một tần suất nào đó, vìthế mà giảm đợc ma sát sinh ra giữa cọc và đất Mặt khác trọng lợng bản thângiữa cọc và búa làm cọc lún sâu vào nền đất

Búa rung ra đời sau các loại búa trên và đang đợc sử dụng rộng rải để đóngcọc những nền đất dính

Ưu điểm của loại búa này: Kết cấu đơn giản, kích thớc nhỏ gọn, tính cơ độngcao, làm việc chắc chắn, cọc không bị vỡ nh khi dùng các loại búa va đập Do đógiá thành đóng cọc rẻ hơn 2 đến 3 lần so với các loại búa khác

Nhợc điểm: trong quá trình làm việc lực gây rung làm ảnh hởng lớn đến cáccông trình ở bên cạnh

Búa chấn động đợc sử dụng nhiều trong xây dựng cơ bản nhất là trong xây dựngmóng cầu Cấu tạo búa chấn động gồm nhiều khối lệch tâm quay đồng bộ theohai hớng khác nhau nhờ một mô tơ điện Khi làm việc các khối lệch tâm sinh ralực ly tâm theo phơng bán kính và đi qua tâm quay Lực này chia thành hai thànhphần (hình11)

Các thành phần nằm ngang tự triệt tiêu lẫn nhau do các bánh lệch tâm cứ đôi mộtquay ngợc chiều, còn các lực thẳng đứng gây ra lực kích thích dọc tim cọc, thay

đổi theo quy luật hình sin

điểm hiệu suất hạ cọc nhanh hơn so với các loại búa khác Song tuổi thọ làm việccủa mô tơ điện giảm đi nhiều do chấn động của búa Tuy nhiên có thể khắc phụcbằng cách đặt lò xo giảm chấn giữa mô tơ điện và búa chấn động ( Hình.13)

Để tăng nhanh tốc độ cọc lún sâu vào đất có thể đặt thêm các tấm gia trọng

d-ới đế của mô tơ điện

Ngoài ra còn có loại búa chấn động xung kích (Hình.14) Búa chấn động xungkích có hai tác dụng vừa đóng vừa rung để hạ cọc và có thể điều chỉnh lực xung kích, do đó hiệu suất hạ cọc khá cao nhng nhợc điểm là mô tơ chịu lực rung, do

đó chóng hỏng

Bóa rung nèi cøng

H×nh 14 Bóa va rung

1 §Üa lÖch t©m

2 VÊu va ®Ëp

3 Lß xo

H×nh 13 Bóa rung nèi mÒm

Khi đóng bằng búa, trên đỉnh cọc phải có đệm cọc để giảm nhẹ xung lực tácdụng trực tiếp lên đầu cọc và dàn đều ứng suất trên toàn bộ diện tích tiết diệncọc

Đệm cọc bê tông cốt thép thông thờng gồm : Chụp đầu cọc và các tấm đệmlót Chụp đầu cọc có tác dụng giữ cho tấm đệm giảm chấn bên trong lót trực tiếptrên đầu cọc, để cọc có thể xoay nhẹ, tự do, tránh những ứng suất phụ nhng cũngkhông đợc rộng quá 1cm mỗi bên Độ sâu của chụp khoảng 1,5 - 2 lần cạnh hoặc

đờng kính cọc.Trên đỉnh chụp thờng có hốc lõm cao khoảng 15 - 20 cm đáy hìnhvuông nhng miệng tròn, để bố trí đệm gỗ, đệm chất dẻo hay cọc đệm (khi đầucọc cần đóng đã xuống hết chân cột dẫn) Đệm gỗ cao khoảng 30 cm, bằng gỗcứng, có chít đai thép (Hình 15) Đệm chất dẻo chịu lực tốt hơn đệm gỗ cứng, vìcấu tạo gồm ba lớp : Lớp cao su có cốt ở giữa, tấm thép phía trên và gỗ cứng phíadới Bình thờng đệm chất dẻo có thể phục vụ để đóng cho hàng ngàn cọc, trongkhi đệm gỗ chỉ đợc một vài cọc, đệm cao su- gỗ (cao 10cm) đóng trung bình đợcbẩy cọc, đệm chất dẻo bakelit có cốt sợi bông với tấm thép ở đỉnh và 5cm gỗcứng ở dới, có thể chịu đợc khoảng 40 cọc (Hình15) giới thiệu cấu tạo đệm đầucọc bê tông cốt thép

Đệm giảm chấn lót trực tiếp bên trong mũ, tiếp xúc trực diện với cọc có thểlàm bằng các loại vật liệu khác nhau, tuỳ theo tập quán của từng nớc, chẳng hạnbao tải gai, gỗ ván, xơ dừa, cao su, amiăng, giấy bồi.vv Amiăng là loại vật liệuchịu đợc hàng vạn nhát búa nặng vẩn ổn định và không bị cháy Có những nơichỉ dùng mạt ca đựng trong bao tải gai, với hai bọc xi măng khô đệm hai bên và

đặt phẳng trên đầu cọc

Đối với cọc thép (tơng tự cọc ván thép ), đệm cọc thờng làm bằng gỗ hoặcchất dẻo, hình dạng tuỳ theo tiết diện cọc Mặt dới có rãnh và chêm thép để kẹpchặt đầu cọc Nói chung, vật liệu và độ dày của đệm cọc là hai nhân tố cần lu ýchọn lựa, vì chỉ cần thiếu độ nẩy đàn hồi cũng có thể cho đầu cọc bị hỏng

+ Đệm cọc khi rung bằng búa chấn động:(Hình 15)

Giới thiệu chụp nối giữa búa và cọc dới dạng mặt bích, có tác dụng nh một

đệm cọc khi dùng búa chấn động để hạ cọc ống bêtông cốt thép đờng kính lớn

+ChuÈn bÞ:

Cọc đợc tập kết bên cạnh giá búa từng đợt với số lợng tính toán Vận chuyểncọc bằng đờng goòng, sà lan Trớc khi dựng cọc vào giá búa, một lần nữa cọc

đợc kiểm tra kỹ những khuyết tật có khả năng xảy ra trong lúc bốc xếp, vậnchuyển Để dễ dàng theo dõi cọc trong quá trình hạ, cần vạch dấu sơn trên thâncọc bắt đầu từ mũi cách nhau khoảng 1m, càng gần đỉnh cọc, khoảng cách giữacác vạch sơn càng gần nhau: 50, 20, 10 và 5cm Ngoài ra còn phải căng dây bậtmực từ mũi đến đỉnh cọc để lấy đờng tim Cọc đợc tời của giá búa trực tiếp kéo

về phía cần.Thông qua bộ ròng rọc (múp) chuyển hớng, cố định ở chân giá búa

cọc tại một điểm (móc cẩu trên), mũi cọc lúc này phải đặt trên xe quệt hoặcgoòng nhỏ, chạy theo đờng ray hoặc ván gỗ Đối với cọc dài cần huy động cả hai

đờng dây cáp Cáp của tời búa phụ trách móc cẩu trên; cáp của tời nâng, buộcvào móc dới Cả hai tời hoạt động nhịp nhàng nâng nhẹ cọc ra khỏi xe goòng ;sau đó chỉ cho tời búa hoạt động, xách cọc đang nằm ngang dần dần sang t thếthẳng đứng và dựng cọc áp sát vào cần giá búa Lúc này đòi hỏi phải xỏ cọcchính xác vào đúng vị trí, trục cọc nằm theo hớng thiết kế và trùng với tim búa Cần giá búa cũng phải ôm sát và liên kết chặt chẽ với cọc, bảo đảm tim cọc nằmtheo đúng hớng quy định

+ Đóng cọc

Sau khi bố trí đệm ( lót ), nhẹ nhàng hạ búa đặt trên đầu cọc Dới tác dụngcủa trọng lợng búa, cọc sẽ lún xuống một đoạn nhất định, tuỳ theo đất nền.Chỉnh hớng và kiểm tra vị trí cọc lần cuối cùng bằng máy trắc đạc “lấy tim cọc”theo đờng bật mực ở cả hai hớng

Sau đó, cho búa đóng nhẹ vài nhát để cọc đóng vào đất và để kiểm tra cọc,búa, hệ thống dây và độ ổn định của giá búa Cuối cùng cho búa hoạt động bìnhthờng

Khi đóng cọc trong đất yếu, phải giữ cọc bằng dây thừng cho đến khi hạbúa, từ đó dây thừng mới đợc nới lỏng dần

Trong quá trình đóng phải theo dõi thờng xuyên vị trí cọc, nếu phát hiện sailệch cần phải chỉnh lại ngay Phải theo dõi tốc độ xuống của cọc Độ lún trongtừng đoạn phải phù hợp với lát cắt địa chất Nếu đột nhiên cọc ngừng xuống hoạc

độ lún giảm đột ngột và búa nảy dội lên, chứng tỏ cọc đã gặp chớng ngại vật.Nếu không qua đợc vật cản đó cọc sẽ bị gãy, báo hiệu bởi hiện tợng cọc tụtxuống đột ngột và trục tim cọc bị chệch hớng Khi mũi cọc bị gãy, sẽ xảy ra hiệntợng cọc xuống không đều, khi nhiều khi ít Cọc gãy phải nhổ lên và thay cọcmới Trong quá trình đóng cọc phải có nhật ký theo dõi, các sự cố và những pháthiện tình hình cọc xuống không bình thờng nếu phải ghi rõ

+ Một số vấn đề cần lu ý

động theo qui định Ví dụ:

- Khi nâng hạ cọc phải chú ý đến điều kiện của giá búa Chống lật đổ bằng

đối trọng, chêm chèn, và dây néo (râu tôm)

- Khi di chuyển giá búa, phải hạ thấp thủ búa, móc chốt cẩn thận.

- Luôn luôn phải theo dõi hệ thống tời, múp, cáp phát hiện kịp thời trớc khixảy ra sự cố

- ống dẫn hơi nóng (nếu có), phải bố trí cao, không bị xì, hở

- Làm việc trên giá búa phải đeo dây an toàn

- Khi búa hoạt động, phải cảnh giới, không đợc vào gần Theo giỏi từ xanhững dấu sơn và đờng bật mực trên cọc bằng máy trắc đạc

Khi đóng cọc bằng cần trục và cột dẫn, công nghệ đóng cọc chỉ thay đổi ởbiện pháp nâng cọc và cách di chuyển của hệ thống thiết bị đóng cọc Vì cần trụccơ động hơn, có thể quay cần sang chỗ xếp cọc, và di chuyển nhẹ nhàng cùngvới cọc đến vị trí đóng

Năng suất đóng cọc phụ thuộc vào các yếu tố sau: Thời gian di chuyển gíabúa từ cọc này đến cọc tiếp theo, nâng và dựng cọc vào vị trí đóng, điều chỉnh và

định vị cho toàn hệ thống trớc khi đóng Động tác đóng cọc trực tiếp chỉ chiếmkhoãng 20 - 30% toàn bộ thời gian Vì thế phải tính toán thế nào để giá búa dichuyển hợp lý nhất, việc cung ứng và định vị cọc thực hiện nhanh nhất trong

điều kiện địa hình địa vật cụ thể nơi thi công và theo nguyên tắc: Đóng cọc trớckhông ảnh hởng đến việc đóng cọc sau, đờng di chuyển giá búa thuận lợi nhất

II Sự phát triển máy búa theo nguyên tắc rung động

Từ những năm 1949 những máy búa rung đầu tiên đã đợc chế tạo và sử dụngtại nớc Nga theo nguyên tắc của tiến sĩ D D Barcan, đó là những máy búa rungloại BT5 sử dụng khối lệch tâm Loại búa này có lực kích là 214kN và tần số dao

động 41,67Hz, máy đợc trang bị một mô tơ điện 28kw Những máy búa đầu tiên

đã đợc sử dụng để xây dựng công trình thuỷ điện Gorki (bây giờ là NizhniNovgorod), búa đã đợc dùng đóng 3700 cọc dài từ 9 đến 12 mét với thời gian

đóng là 2-3 phút cho một cọc

Từ đó nớc Nga đã tiếp tục phát triển một số lợng lớn các máy đóng cọc hoạt

động bằng rung và cả những máy khoan đất Vào năm 1950, lần đầu tiên nớcNga cũng cấp giấy phép của họ cho ngời Nhật, trong một khoảng thời gian dàingời Nhật đã có một vài công ty phát triển các loại búa rung Từ đó đến nay loại

kỹ thuật này đã phát triển khắp nơi trên thế giới, với các công ty nh PTC ở Pháp,Mueller, Tunkersvaf MGF ở Đức, Tomen ở Nhật và ICE Europe ở Thuỵ sỹ Ngời Mỹ đã chế tạo máy rung dùng thuỷ lực MKT V-10 đầu tiên vào năm

1969, mặc dù cả hai hãng Vulcan và Foster đều đã giới thiệu loại máy đóng cọcbằng rung động của Nhật và Pháp vào đầu thập niên 1960 Loại máy này có một

đặc điểm khác với các máy búa rung hiện tại Điểm đầu tiên đó là hệ thống treo,thông thờng V-10 sử dụng lò xo thép để giảm độ rung cho cần cẩu và móc Hiệngiờ hầu hết các loại máy đều sử dụng lò xo cao su Điểm thứ hai liên quan tớibánh lệch tâm Bánh lệch tâm của V-10 thờng kéo dài suốt trên trục Một động

cơ đợc nối với một trong những bánh lệch tâm, các cặp bánh răng truyền lực làmquay những bánh lệch tâm còn lại của máy Hầu hết các máy ngày hôm nay đềugắn các cặp bánh lệch tâm từ trớc ra sau trên một trục cho phép điều chỉnhmômen tĩnh, và chúng gắn trực tiếp với động cơ hoặc thông qua bộ bánh răngthay đổi tốc độ.

Từ những khởi đầu này và qua thực tiễn Mỹ đã có những bớc tiến về các chủngloại búa rung Ngày nay cũng có những bớc tiến hoặc lớn hoặc nhỏ ở nhữnghãng nh Vulcan, ICE(M và châu Âu) MKT, Foster Casteel và các đơn vị HPSI Việc phân loại các thiết bị đóng cọc bằng rung động là một công việc phức tạpnhững phân loại quan trọng nhất có thể đợc thực hiện dựa trên tần số, cùng vớimối quan hệ kết quả giữa lực kích và mômen tĩnh bánh lệch tâm

Quả búa rung đợc sử dụng phổ biến trong thi công đóng cọc, đặc biệt chúng làmviệc rất hiệu quả trên nền đất cát tơi xốp, ở những địa hình chật hẹp, nhất là

khi đóng cọc gia cố nền Khi làm việc, quả búa liên tục truyền lên cọc dao động

có tần số, biên độ và hớng nhất định, làm giảm lực ma sát giữa cọc và đất

Mọi quả búa rung đều đợc cấu tạo từ hai bộ phận cơ bản : Bộ gây rung và thiết

bị liên kết giữa quả búa và đầu cọc ( ở đây gọi là mũ cọc)

Bộ gây rung dao động đợc do lực ly tâm khi động cơ điện hoặc động cơ đốttrong qua các bộ truyền (bánh răng, dây đai hoặc xích) quay các khối lệch tâm

Đặc tính của các dao động này phụ thuộc vào : mômen lệch tâm (bảng tích sốgiữa khối lợng khối lệch tâm và độ lệch tâm), tốc độ quay của khối lệch tâm,tổng khối lợng toàn hệ thống tham ra dao động (quả búa, cọc, mũ cọc ) và cả

đặc tính cơ lý của nền đất Những thông số cơ bản của quả búa là: Lực xung, tần

số và biên độ dao động Lực rung là thông số cơ bản nhất quả búa, trị số của nóphụ thuộc vào momen lệch tâm và tốc độ quay của khối lệch tâm Biên độ dao

động giữ vai trò quyết định Khi quả búa làm việc, toàn hệ thống (quả búa, mũicọc, cọc ) dao động, nếu biên độ dao động thẳng đứng tại vị trí tiếp xúc giữa cọc

và nền không lớn hơn biến dạng đàn hồi của nền, cọc không thể ấn vào nền Cọc

có thể đóng vào nền khi biên độ dao động này lớn hơn chuyển vị đàn hồi và gâychuyển vị d của nền.Tần số dao động ảnh hởng trực tiết đến quá trình đóng cọc.Khi tần số dao động thấp (<200 lần/phút ) bắt đầu xuất hiện dao động yếu củacọc và nền, khi này cọc và lớp bề mặt nền tại điểm tiết xúc chuyển vị đồng thời,quá trình đóng cọc không xảy ra Chỉ khi tăng tần số dao động làm xuất hiệnchuyển vị tơng đối giữa cọc và nền, cọc bắt đầu đợc đóng xuống nền

Mũ cọc liên kết quả búa và cọc Khác với qúa trình làm việc theo nguyên lý va

đập, ở đây để truyền dao động từ quả búa xuống cọc, mũ cọc cần đợc liên kếtchặt với cọc và quả búa vì vậy còn gọi là kẹp cọc Để thực hiện chức năng kẹpcọc, mũ cọc thờng đợc sử dụng hai loại truyền động cơ bản là cơ khí và thuỷ lực

mà ta sẽ nghiên cứu ở phần sau

Trong qúa trình đóng cọc, cọc lún do rung động với một số tần suất nào đó, vìthế mà giảm đợc ma sát sinh ra giữa cọc và đất Mặt khác trọng lợng giữa cọc vàbúa làm cọc lún sâu vào nền đất

Về cơ bản có thể phân chia búa rung thành các loại sau :

- Theo tần số: Máy có tần số trung bình, máy có tần số thấp, máy có tần số cao.

- Theo nguyên lý làm việc búa rung đợc chia ra làm hai loại :

Rung và va rung, ở loại rung cũng đợc chia ra :Rung nối cứng và rung nối mềm

+ Máy có tần số thấp : Là những loại máy đóng cọc bằng rung động có tần số từ

5 đến 10 Hz, dùng để đóng những loại cọc nặng, lực cản mũi cọc lớn, nh các cọcống thép dài lớn và các cọc bê tông Các loại máy này có khuynh hớng sử dụngmomen tĩnh bánh lệch tâm lớn Một ví dụ về loại máy này là lại VPM -170 củaNga do bộ giao thông vận tải của Nga chế tạo rộng rãi nhất trên đất nớc Loạimáy này tạo đợc động lực lớn nhất là 1700kN ứng với tần số lớn nhất là 9,17 Hz

và moment tĩnh bánh lệch tâm là 510 kgm Loại máy này đợc thiết kế chủ yếu để

đóng các ống có đờng kính đến 2m Tổ chức Tomen ở Nhật cũng đã sản xuấtnhiều máy loại này

+ Máy có tần số trung bình : Là những máy có tần số rung từ 10 đến 30 Hz đợc

sử dụng cho các loại cọc ván, cọc ống nhỏ Đó là loại búa B-402 đợc dùng để

đóng cọc ván Larssen cho công trình xây dựng đờng hầm ở St peterburg Loạimáy này có lực động tối đa là 270 kN ứng với tần số dao động là 23,8 Hz vàmoment tĩnh bánh lệch tâm cực đại của nó là 12kg.m

+ Máy có tần số cao : Là những máy có tần số kích lớn hơn 30Hz Nó gồm có

hai loại Thứ nhất là những loại có tần số trong khoảng 30-40Hz chúng đợc thiết

kế với mục đích ít gây ảnh hởng dao động tới công trình Những loại này đợc

đồng thời phát triển ở cả châu Âu (hãng ICE, Tun kers, PTC) và ở Mỹ (Vulcan)

Ưu điểm của những loại này lực kích truyền trong đất tới các công trình lân cậnthấp Nhng tần số của máy này không đủ cao để cải thiện việc đóng và trongmột số trờng hợp những máy này có vấn đề về việc thắng lực cản tại mũi cọc Tiếp đến là những loại máy làm việc ở chế độ cộng hởng, một trong những loạiphổ biến của nhóm máy này là máy cộng hởng Bodinee Guild, những máy đầutiên đợc giới thiệu vào đầu những năm 1960 Nguyên lý chính của loại máy cộnghởng này là đa cọc vào làm việc ở chế độ cộng hởng vì vậy làm cho cọc đóng vànhổ dễ dàng Những máy cộng hởng làm việc ở trong dãy tần số từ 90-120 HZ,trong phần lớn các trờng hợp tần số làm việc của các máy bằng hai lần tần sốtruyền sóng của cọc Khả năng đáp ứng này phụ thuộc vào hệ búa và hệ cọc Đốivới những cọc có chiều dài quá lớn việc liên kết cọc búa thực sự khó khăn Mặc

dù về nguyên tắc những loại búa này có một tiềm năng lớn lao, nhng sự phức tạp

về cơ khí đã hạn chế việc sử dụng rộng rãi

+Búa rung nối cứng

Loại búa này có cấu tạo đơn giản Bộ gây rung thờng dùng các đĩa lệch tâm lắp

trên trục quay để gây ra lực rung động Có thể điều chỉnh lực gây rung bằng cách

điều chỉnh lực lực gây rung bằng cách điều chỉnh vị chí của đĩa lệch tâm loạibúa này có nhợc điểm là bộ gây rung làm ảnh hởng tuổi thọ của động cơ (Hình16) Loại búa này làm việc có tần số thấp: 300 đến 500 lần/phút, đóng đợc cọc

lớn: Cọc bê tông cốt thép, cọc ống BTCT khối lợng đến 10t vào nền đất yếu.Khác với loại nối mềm, ở đây động cơ điện đợc liên kết cứng bằng bu lông với

vỏ hộp bộ gây rung Bộ này có bốn trục gây rung, vỏ hộp có kết cấu hàn Cáckhối lệch tâm làm bằng thép tấm và liên kết với trục bằng then và bu lông.Truyền động từ động cơ đến các trục gây rung qua các bộ truyền

Phần đáy quả búa kết cấu mặt bích có thể lắp với nhiều loại mũ cọc khác nhau

+ Búa rung nối mềm

Sơ đồ cấu tạo (hình 17) Sự khác giữa búa rung nối cứng và nối mềm là:

ở loại nối mềm động cơ đợc nối với bộ gây rung qua lò xo Vì Thế trong quátrình làm việc động cơ ít bị ảnh hởng do bộ gây rung gây ra, tuổi thọ của độngcơ đợc nâng cao, ở đây động cơ điện đợc lắp trên bệ gia trọng, bệ này dặt trên hệ

lò xo gắn với bộ gây rung đợc cấu tạo là hộp truyền động, độ cứng của hệ lò xo

đợc tính toán sao cho tần số dao động riêng của bệ nhỏ hơn nhiều so với tốc độquay của trục gây rung, điều này tạo cho động cơ điện làm việc tốt hơn (do tần

số dao động riêng nhỏ hơn so với điều kiện gắn trực tiếp với bộ gây rung)

Truyền động từ động cơ điện xuống hộp truyền thông qua bộ truyền Để có thể

điều chỉnh đợc các đặc tính dao động của quả búa, ngời ta thay đổi khối lợngcủa bệ và cấu tạo khối lệch tâm thành hai phần : Tĩnh và động để thay đổi khốilệch tâm Khởi động quả búa từ bảng điều khiển có cấu tạo giống nh bảng điềukhiển động cơ thông thờng

Hình 17 Búa rung nối mềm

1 Đĩa lệch tâm 3 Bệ gia trọng 5 Bộ truyền đai

2 Lò xo 4 Động cơ

III Sự phát triển máy búa đóng cọc hoạt động theo nguyên tắc va rung

Dựa trên những lý thuyết đã thực hiện từ chiến tranh thế giới thứ hai, tác giảS.A Tsaplin và các cộng sự của ông đã thực hiện loại búa hoạt đông theo nguyêntắc va rung đầu tiên ở nga năm 1949, ở đây có sự so sánh về hiệu quả của việc

đóng bằng nguyên tắc va rung và rung Các cuộc kiểm tra đã cho thấy tính hiệuquả của việc đóng bằng va rung thì cao hơn, về mặt độ sâu đóng tối đa và vận

tốc đóng xuống của cọc.Tính hiệu quả của việc đóng cọc cũng gia tăng khi tăngbiên độ dao động của cọc

Loại búa va rung đã đợc ứng dụng rộng rãi khi xây dựng nhà máy điệnStalingrad (bây giờ là Volgograd ), ở đây ngời ta đã xây dựng loại tờng chốngthấm bên dới rạch nớc, loại cọc “Larssen-5” đợc đóng xuống độ sâu 13 mét tớinhững lớp cuối của sa thạch có độ cứng trung bình Trong công trình này cũng

nh một số công trình khác loại búa theo nguyên tắc va rung làm việc hữu hiệuhơn loại rung thông thờng, hoặc những búa hoạt động bằng hơi nớc - không khíhay búa diesel

Sự thành công của công trình này cũng nh các công trình khác và các tình huốngthí nghiệm đã dẫn đến việc sử dụng rộng rãi loại búa va rung, không chỉ ở Nga

mà còn ở nớc khác, đặc biệt là châu Âu nơi mà ngời ta đã đặt hàng cho các nhàsản xuất nh Mench và PTC Vào thời điểm hiện tại không có loại búa theonguyên tắc va rung nào đợc sản xuất tại Mỹ

Việc đóng cọc bằng va rung không hoàn toàn chính xác giống búa rung hoặcbúa va đập thuần tuý, mà trên thực tế nó là sự hỗn hợp của hai loại trên Cách tốtnhất để xem xét vấn đề này là tìm hiểu quá trình đóng cọc bằng rung động thuầntuý Nh chúng ta đã biết việc đóng cọc bằng rung động thuần tuý thì ít hiệu quảkhi trở lực tại mũi cọc lớn Các búa va rung thì hiệu quả hơn trong những tìnhhuống này bởi vì chúng sinh ra xung lực lớn cũng nh tạo ra biên độ cao và tốc độlớn để cọc thắng đợc trở lực lớn tại mũi cọc Cũng chính vì lý do đó mà các loạibúa va rung đợc sử dụng phổ biến để đóng loại cọc bê tông Chúng có khả năngtạo ra các lực đóng cần thiết để khắc phục trở kháng cao

Sơ đồ nguyên lý cấu tạo nh (hình.18) Khối lệch tâm gây rung đợc lắp trực tiếttrên hai đầu của trục động cơ điện Khi búa làm việc, cọc tiếp nhận lực rungcùng với lực va đập do vậy cọc thờng hạ xuống nhanh hơn Nhờ có lực va đậpnên khối lợng búa có thể giảm đi Búa va rung làm việc rất tốt trên nền đất phasét Số lần va đập trên một phút từ 400 đến 500 nhát/phút

Hình 18 Sơ đồ cấu tạo búa va rung

1 Động cơ

2 Khối lệch tâm3,4 Bệ búa

5,6 Lò xo

Máy búa làm việc theo nguyên lý hỗn hợp : rung và va đập khác với quảbúa thông thờng, khi làm việc bộ dẫn động ngoài chức năng tạo dao động của bộchuyển động của bộ gây rung còn gây xung lực va đập xuống đầu cọc trong tr-ờng hợp khe hở giữa đầu búa và đe nhỏ hơn biên độ dao động riêng của bộ gâyrung Tần số va đập có thể bằng tần số quay của trục gây rung hoặc nhỏ hơn 2,

3, 4 lần, ở các trờng hợp này ngời ta gọi quả búa làm việc ở chế độ i=1, i=2,i=3, i= 4 điều này có ý nghĩa quan trọng trong việc chế tạo máy búa Cho phép

sử dụng động cơ điện có tốc độ lớn, khối lợng nhỏ hơn so với động cơ điện tốc

độ nhỏ Ngoài ra cùng một công suất nh nhau, năng lợng một va đập của quả búatần số (va đập) thấp sẽ lớn hơn ở quả búa tần số cao Ưu điểm cơ bản của búa varung là khả năng tự điều chỉnh, năng lợng va đập sẽ tự thay đổi tuỳ thuộc vào lực

Có nhiều cách phân loại quả búa va rung theo dạng truyền động: Truyền

động điện, thuỷ lực, khí nén, động cơ đốt trong

- Theo dạng dẫn động từ động cơ đến trục gây rung có hoặc không códẫn động

- Theo liên kết giữa bộ gây rung và mũ cọc: Qua hệ lò xo và không có hệ

lò xo, phổ biến và hợp lý hơn là sử dụng hệ lò xo

- Theo dạng mũ cọc : Tựa tự do hoặc liên kết chặt với đầu cọc

- Quả búa va rung điện không có trục dẫn động, tựa tự do trên đầu cọc(hình.19)

khả năng hạ cọc của búa rung và va rung cũng nh sức chịu tải tới hạn của cọc khi

đóng

Những phơng pháp gần đây nhất đợc sử dụng để tính toán búa rung để hạ cọccho những kết quả khá đa dạng Dựa vào u nhợc điểm của từng loại ta có thểchia chúng thành 5 nhóm chính :

Giá trị của (s) đợc trình bày ở bảng 1.2 Công thức này chỉ sử dụng khi biên độ

thức sau:

Trong đó :

l – Chiều dài cọc,m

Bảng 1.2 Giá trị (s) theo phơng pháp Turker