Luận án tiến sĩ Kỹ thuật: Nghiên cứu xác định các thông số kỹ thuật hợp lý của búa rung hạ cọc ván thép vào nền đất nhiều lớp

Luận án được nghiên cứu với mục tiêu nhằm nghiên cứu xây dựng phương pháp xác định các thông số kỹ thuật hợp lý của búa rung để hạ cọc ván thép vào nền đất nhiều lớp và ứng dụng nghiên cứu cho trường hợp cụ thể để xác định các thông số hợp lý của búa rung VH-QTUTC70 hạ cọc ván thép loại NSP-IIw vào nền đất nhiều lớp tại công trình cầu Đồng Quang, Ba Vì, Hà Nội.

Trang 1

TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI

-

VŨ VĂN TRUNG

NGHIÊN CỨU XÁC ĐỊNH CÁC THÔNG SỐ

KỸ THUẬT HỢP LÝ CỦA BÚA RUNG HẠ CỌC VÁN THÉP VÀO NỀN ĐẤT NHIỀU LỚP

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT

HÀ NỘI - 2019

Trang 2

TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:

1: PGS TS THÁI HÀ PHI 2: PGS TS NGUYỄN ĐĂNG ĐIỆM

HÀ NỘI - 2019

Trang 3

LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của tôi Các số liệu, kết quả trong luận án là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác Những nội dung tham khảo được đưa vào trong luận án đều được trích dẫn đầy đủ

Người cam đoan

Vũ Văn Trung

Trang 4

LỜI CÁM ƠN

Lời đầu tiên tôi xin gửi lời cám ơn đến hai người thầy là PGS TS Thái Hà Phi và PGS.TS Nguyễn Đăng Điệm thuộc bộ môn Máy xây dựng - Xếp dỡ, Khoa Cơ khí, Trường Đại học Giao thông Vận tải đã trực tiếp hướng dẫn, tận tình chỉ bảo và tạo mọi điều kiện tốt nhất để tôi có thể hoàn thành được luận án này

Tôi xin chân thành cám ơn các thầy cô giáo thuộc Bộ môn Máy xây dựng - Xếp

dỡ, Khoa Cơ khí, Trường đại học Giao thông Vận tải đã tạo điều kiện giúp đỡ tôi trong suốt quá trình thực hiện luận án Tôi cũng xin chân thành cám ơn các thầy của học viện

Kỹ thuật Quân sự, trường Đại học Xây dựng, học viện Nông nghiệp Việt Nam và các thầy trong trường Đại học Giao thông Vận tải đã trực tiếp đọc và góp ý vào các nội dung của luận án

Xin chân thành cám ơn Ban giám hiệu trường Đại học Giao thông Vận tải, Phòng Đào tạo Sau đại học, Khoa Cơ khí, Phòng thí nghiệm Công trình, Công ty CP Cơ khí Quang Trung, Công ty CP XD CTGT 473 - Tập đoàn CIENCO4,… đã tạo mọi điều kiện thuận lợi giúp đỡ tôi có thể hoàn thành nhiệm vụ và đạt kết quả mong muốn Xin chân thành cám ơn các thầy giáo, các chuyên gia, các nhà khoa học, các bạn bè và đồng nghiệp

đã đóng góp rất nhiều ý kiến quý báu và giúp tôi vượt qua mọi khó khan để hoàn thành luận án này

Cuối cùng tôi xin gửi lời cảm ơn tới tất cả các thành viên trong gia đình đã tạo mọi điều kiện và động viên tôi để hoàn thành luận án

Trang 5

MỤC LỤC

MỞ ĐẦU 1

CHƯƠNG 1 NGHIÊN CỨU TỔNG QUAN VỀ HỆ “BÚA RUNG - CỌC VÁN THÉP - NỀN ĐẤT NHIỀU LỚP” 5

1.1 NGHIÊN CỨU TỔNG QUAN VỀ HỆ “BÚA RUNG - CỌC VÁN THÉP - NỀN ĐẤT NHIỀU LỚP” 5

1.1.1 Giới thiệu về búa rung, cọc ván thép và nền đất nhiều lớp 5

1.1.2 Các công trình nghiên cứu về quá trình thi công cọc bằng búa rung đã được công bố 11

1.2 TỔNG QUAN VỀ PHƯƠNG PHÁP XÁC ĐỊNH CÁC THÀNH PHẦN LỰC CẢN ĐỘNG CỦA NỀN ĐẤT TÁC DỤNG LÊN CỌC VÁN THÉP TRONG QUÁ TRÌNH HẠ CỌC BẰNG BÚA RUNG 24

1.2.1 Phân tích quá trình hạ cọc và cơ chế tương tác giữa đất với cọc trong bài toán hạ cọc ván thép vào nền đất nhiều lớp bằng lực rung động 24

1.2.2 Lựa chọn mô hình đất và phương trình toán xác định lực cản động của các lớp đất lên cọc ván thép khi chịu tải trọng rung động 29

1.3 CƠ SỞ LÝ THUYẾT TỐI ƯU XÁC ĐỊNH THÔNG SỐ HỢP LÝ CỦA BÚA RUNG TRONG QUÁ TRÌNH HẠ CỌC VÁN THÉP VÀO NỀN ĐẤT NHIỀU LỚP 33

1.3.1 Lý thuyết tối ưu trong thiết kế kỹ thuật 33

1.3.2 Lựa chọn phương pháp xác định nghiệm tối ưu 35

1.4 XÂY DỰNG NỘI DUNG NGHIÊN CỨU 39

KẾT LUẬN CHƯƠNG 1 40

CHƯƠNG 2 NGHIÊN CỨU HỆ “BÚA RUNG - CỌC VÁN THÉP - NỀN ĐẤT NHIỀU LỚP” 42

2.1 XÂY DỰNG MÔ HÌNH TOÁN CHO HỆ “BÚA RUNG - CỌC VÁN THÉP - NỀN ĐẤT NHIỀU LỚP” 42

Trang 6

2.1.1 Xác định các thông số của hệ “Búa rung - Cọc ván thép - Nền đất nhiều

lớp” 42

2.1.2 Xây dựng mô hình toán cho hệ “Búa rung - Cọc ván thép - Nền đất nhiều lớp” 50

2.2 XÂY DỰNG SƠ ĐỒ THUẬT TOÁN VÀ CHƯƠNG TRÌNH TÍNH 55

2.2.1 Xây dựng sơ đồ thuật toán 55

2.2.2 Xây dựng chương trình tính 56

2.3 BÀI TOÁN HẠ CỌC VÁN THÉP NSP-IIw BẰNG BÚA RUNG VH-QTUTC70 VÀO NỀN ĐẤT NHIỀU LỚP TẠI CÔNG TRÌNH CẦU ĐỒNG QUANG 57

2.3.1 Xác định các thông số đầu vào của bài toán 57

2.3.2 Phân tích kết quả 62

CHƯƠNG 3 NGHIÊN CỨU XÁC ĐỊNH CÁC THÔNG SỐ KỸ THUẬT HỢP LÝ CỦA BÚA RUNG KHI HẠ CỌC VÁN THÉP VÀO NỀN ĐẤT NHIỀU LỚP 70

3.1 XÂY DỰNG PHƯƠNG PHÁP XÁC ĐỊNH CÁC THÔNG SỐ KỸ THUẬT HỢP LÝ CỦA BÚA RUNG HẠ CỌC VÁN THÉP VÀO NỀN ĐẤT NHIỀU LỚP 70

3.1.1 Xây dựng bài toán 70

3.1.2 Xác định chi phí năng lượng của búa rung trong quá trình hạ cọc ván thép vào nền đất nhiều lớp 71

3.1.3 Xây dựng mô hình toán xác định các thông số hợp lý của búa rung 73

3.1.4 Xây dựng thuật toán và chương trình tính các thông số hợp lý 75

3.2 XÁC ĐỊNH CÁC THÔNG SỐ KỸ THUẬT HỢP LÝ CỦA BÚA RUNG VH-QTUTC70 KHI HẠ CỌC VÁN THÉP NSP-IIW VÀO CÁC LOẠI ĐẤT TẠI TRỤ T2 VÀ T3 CẦU ĐỒNG QUANG 84

3.2.1 Bộ số liệu đầu vào 84

Trang 7

3.2.2 Kết quả tính toán các thông số hợp lý 84

CHƯƠNG 4 NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM QUÁ TRÌNH HẠ CỌC VÁN THÉP TẠI CÔNG TRÌNH THI CÔNG CẦU ĐỒNG QUANG (BA VÌ, HÀ NỘI) BẰNG BÚA RUNG DO VIỆT NAM CHẾ TẠO 93

4.1 MỤC ĐÍCH, ĐỐI TƯỢNG VÀ CÁC THÔNG SỐ NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM 93

4.1.1 Mục đích nghiên cứu thực nghiệm 93

4.1.2 Đối tượng nghiên cứu thực nghiệm 94

4.1.3 Xác định các thông số cần đo đạc thực nghiệm 95

4.2 CÔNG TÁC CHUẨN BỊ THỰC NGHIỆM 96

4.2.1 Xây dựng mô hình thực nghiệm 96

4.2.2 Xây dựng phương pháp đo 98

4.2.3 Quy trình thực nghiệm 101

4.2.4 Công tác chuẩn bị thực nghiệm 102

4.2.5 Hiệu chuẩn thiết bị đo 105

4.3 CÔNG TÁC ĐO HIỆN TRƯỜNG 105

4.3.1 Trình tự thực hiện quá trình thực nghiệm tại công trường 105

4.3.2 Tổ chức đo đạc thực nghiệm tại công trường 107

4.4 XỬ LÝ SỐ LIỆU 109

4.4.1 Cơ sở lý thuyết xử lý số liệu 109

4.4.2 Xử lý kết quả đo 112

4.5 PHÂN TÍCH KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM 116

4.5.1 Kết quả tốc độ hạ cọc và độ dịch chuyển của cọc ván thép 116

4.5.2 Kết quả gia tốc, vận tốc và chuyển vị của cọc ván thép và khung treo búa rung 121

Trang 8

4.5.3 Kết quả lực cản của nền đất tác dụng lên cọc 124

4.5.4 Kết quả tính toán hệ số hóa lỏng (đất cát) và hệ số chảy lỏng của đất (đất sét) 126

4.6 SO SÁNH ĐÁNH GIÁ GIỮA KẾT QUẢ LÝ THUYẾT VÀ KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM 129

KẾT LUẬN CHƯƠNG 4 134

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 136

1 KẾT LUẬN 136

2 KIẾN NGHỊ VÀ HƯỚNG NGHIÊN CỨU TIẾP THEO 137

DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ 138

TÀI LIỆU THAM KHẢO 139

Trang 9

DANH MỤC KÝ HIỆU DÙNG TRONG LUẬN ÁN

GF Hê số lá điện trở

Trang 10

L, lcọc Chiều dài cọc ván thép m

mck

Số chu kỳ dẫn động búa rung trong khoảng thời gian t để hạ cọc đến

Trang 12

z Chiều sâu dịch chuyển của đầu cọc vào đất m

2

1z(k) Ứng suất trong cọc ván thép tại mặt cắt 1-1 tại chiều sâu z(k) kN/m2

Trang 13

si Sức kháng tĩnh đơn vị thành cọc của lớp đất thứ i kN/m2

Trang 14

DANH MỤC HÌNH VẼ, ẢNH DÙNG TRONG LUẬN ÁN

Hình 1.1 Sơ đồ cấu tạo búa rung 5

Hình 1.2 Búa rung dẫn động thủy lực tích hợp trên máy đào một gầu 6

Hình 1.3 Búa rung lắp trên máy cơ sở có sử dụng giá dẫn hướng (kiểu treo cứng) 7

Hình 1.4 Búa rung lắp trên cần trục cơ sở (kiểu treo tự do) 7

Hình 1.5 Cọc ván thép dạng tấm 7

Hình 1.6 Cọc ván thép dạng chữ U 7

Hình 1.7 Mặt cắt cọc ván thép NSP-IIw 8

Hình 1.8 Cấu trúc địa chất điển hình của Hà Nội, [26] 9

Hình 1.9 Một số dạng cấu trúc địa chất điển hình của thành phố Huế [16] 10

Hình 1.10 Một số dạng cấu trúc địa chất điển hình của TP Hồ Chí Minh 9

Hình 1.11 Mô hình truyền sóng Gardner (1987) 18

Hình 1.12 Tổng thể quá trình hạ cọc ván thép bằng búa rung 24

Hình 1.13 Cơ chế hoạt động của hệ “Búa rung - Cọc ván thép - Đất nhiều lớp” 25

Hình 1.14 Quan hệ ứng suất-biến dạng của đất dạng hyperbolic khi chịu tải lặp 26

Hình 1.15 Dịch chuyển tương đối giữa các hạt theo mức biến dạng cắt [40] 28

Hình 1.16 Sơ đồ phân vùng ứng xử của đất xung quanh cọc ván thép khi hạ bằng lực rung động, Denies (2010) 28

Hình 1.17 Sơ đồ mô tả dịch chuyển của cọc ván thép (a), lực cản động thành cọc (b) và lực cản động mũi cọc (c) 30

Hình 1.18 Sự thay đổi sức kháng thành cọc (a) và sức kháng mũi cọc (b) theo chuyển vị của cọc 32

Hình 1.19 Miền khả chấp của các thông số thiết kế 34

Hình 1.20 Cực trị tuyệt đối và cực trị 35

Hình 1.21 Minh họa nguyên lý chung của phương pháp hướng đến cực trị 37

Hình 1.22 Ảnh hưởng của điểm xuất phát đến tính cục bộ hay tuyệt đối của nghiệm đối với bài toán tối ưu không lồi 38

Hình 1.23 Phương pháp Gauss - Seidel 38

Hình 1.24 Phương pháp gradient 38

Hình 2.1 Bánh lệch tâm 43

Hình 2.2 Sơ đồ tính lực rung động của cơ cấu gây rung có hướng 43

Hình 2.3 Quy luật thay đổi của lực rung động và dạng chuyển vị của hệ 43

Trang 15

Hình 2.4 Mô hình truyền song ứng suất trong cọc ván thép 44

Hình 2.5 Mô hình tính toán lý thuyết hệ “Búa rung - Cọc ván thép - Đất nhiều lớp” 52

Hình 2.6 Sơ đồ phân tích lực tác dụng lên các phần tử của mô hình tính 53

Hình 2.7 Sơ đồ khối chương trình tính bài toán hạ cọc ván thép bằng búa rung 55

Hình 2.8 Sơ đồ chương trình con tính các thông số động lực học của hệ 55

Hình 2.9 Sơ đồ chương trình con tính lực cản động của các lớp đất lên cọc ván thép 56

Hình 2.10 Cấu tạo búa rung VH-QTUTC70 57

Hình 2.11 Hình trụ hố khoan LKT2 58

Hình 2.12 Hình trụ hố khoan LKT3 58

Hình 2.13 Biểu đồ thành phần hạt của các loại cát 61

Hình 2.14 Độ dịch chuyển thực của cọc (trụ T2, f=30Hz) 62

Hình 2.15 Gia tốc của cọc (trụ T2, f=30Hz) 63

Hình 2.16 Gia tốc rung của khung treo (trụ T2, f=30Hz) 63

Hình 2.17 Vận tốc rung của cọc (trụ T2, f=30Hz) 63

Hình 2.18 Vận tốc rung của khung treo (trụ T2, f=30Hz) 63

Hình 2.19 Chuyển vị của cọc (trụ T2, f=30Hz) 64

Hình 2.20 Chuyển vị của khung treo (trụ T2, f=30Hz) 64

Hình 2.21 Lực cản động thành cọc (trụ T2, f=30Hz) 64

Hình 2.22 Lực cản động mũi cọc (trụ T2, f=30Hz) 65

Hình 2.23 Độ dịch chuyển của cọc (trụ T3, f=30Hz) 65

Hình 2.24 Gia tốc rung của cọc (trụ T3, f=30Hz) 66

Hình 2.25 Gia tốc rung của khung treo (trụ T3, f=30Hz) 66

Hình 2.26 Vận tốc rung của cọc (trụ T3, f=30Hz) 66

Hình 2.27 Vận tốc rung của khung treo (trụ T3, f=30Hz) 66

Hình 2.31 Lực cản động mũi cọc (trụ T3, f =30Hz) 67

Hình 3.1 Sơ đồ khối mô tả thuật toán di truyền 76

Hình 3.2 Sơ đồ thuật toán ứng dụng thuật toán di truyền để giải bài toán xác định các thông số hợp lý của búa rung hạ cọc ván thép vào nền đất nhiều lớp 77

Trang 16

Hình 3.3 Đồ thị thể hiện quá trình tìm kiếm các thông số hợp lý của búa rung với lớp đất

cát hạt nhỏ màu xám đen, chặt vừa (trụ T2) 85

Hình 3.4 Đồ thị thể hiện quá trình tìm kiếm các thông số hợp lý của búa rung với sét pha màu xám nâu, trạng thái nửa cứng (trụ T2) 86

Hình 3.5 Dịch chuyển của cọc (khi f=30, 32 và 35Hz) 87

Hình 3.6 Gia tốc dịch chuyển của cọc (khi f=30, 32 và 35Hz) 87

Hình 3.7 Gia tốc dịch chuyển của khung treo (khi f=30, 32 và 35Hz) 88

Hình 3.8 Vận tốc dịch chuyển của cọc (khi f=30, 32 và 35Hz) 88

Hình 3.9 Vận tốc của khung treo (khi f=30, 32 và 35Hz) 89

Hình 3.10 Chuyển vị của cọc (khi f=30, 32 và 35Hz) 89

Hình 3.11 Chuyển vị của khung treo (khi f=30, 32 và 35Hz) 90

Hình 3.12 Lực cản động thành cọc (khi f=30, 32 và 35Hz) 90

Hình 3.13 Lực cản động thành cọc (khi f=30, 32 và 35Hz) 91

Hình 4.1 Đặc tính làm việc của cần trục Liebherr HS833HD 94

Hình 4.2 Đặc tính sức nâng tầm với của cần trục Liebherr HS833HD 94

Hình 4.3 Sơ đồ các thông số cần xác định trong quá trình thực nghiệm 95

Hình 4.4 Cấu tạo tổng thể hệ búa rung lắp trên cần trục cơ sở 96

Hình 4.5 Sơ đồ mô tả quá trình tương tác giữa cọc ván thép và đất dưới tác dụng của lực động do búa rung tạo ra 97

Hình 4.6 Mô hình thực nghiệm quá trình hạ cọc ván thép bằng búa rung vào nền đất nhiều lớp 98

Hình 4.7 Sơ đồ đấu lá điện trở (sơ đồ cầu đấu ½) 99

Hình 4.8 Sơ đồ bố trí đầu đo độ dịch chuyển của cọc 100

Hình 4.9 Cọc thí nghiệm 100

Hình 4.10 Cấu tạo bộ phân gây rung của búa rung VH-QTUTC70 100

Hình 4.11 Thiết bị đo số vòng quay trục gây rung DT-5TRX-RMTR 101

Hình 4.12 Sơ đồ bố trí thiết bị đo gia tốc 101

Hình 4.13 Cấu tạo lá điện trở 102

Hình 4.14 Sơ đồ nguyên lý của thiết bị SDA830C 102

Hình 4.15 Đầu đo độ dịch chuyển của cọc 103

Hình 4.16 Cụm đầu đo - pu ly 103

Hình 4.17 Đầu đo gia tốc AR-2F lắp trên cọc ván thép thử nghiệm 103

Trang 17

Hình 4.18 Thiết bị đo gia tốc TDS-302 103

Hình 4.19 Sơ đồ cấu tạo cọc ván thép thử nghiệm 104

Hình 4.20 Phủ keo bảo vệ các lá điện trở sau khi dán vào cọc ván thép 104

Hình 4.21 Hàn tấm ốp bảo vệ đầu đo và dây tín hiệu 104

Hình 4.22 Sơ đồ tổng thể quá trình thực nghiệm tại công trường 106

Hình 4.23 Sơ đồ đấu nối đầu đo và thiết bị đo 106

Hình 4.24 Hệ thống dây dẫn tín hiệu sau khi được kết nối với thiết bị đo SDA830C 107

Hình 4.25 Sơ đồ đấu nối thiết bị đo biến dạng SDA380C 107

Hình 4.26 Đầu đo gia tốc cọc ván thép 108

Hình 4.27 Đầu đo gia tốc khung treo búa rung 108

Hình 4.28 Sơ đồ đấu nối thiết bị TDS-302 108

Hình 4.29 Lắp đầu đo số vòng quay trên trục 1 của búa rung 108

Hình 4.30 Bộ đầu đo HE40B-6-1024-3-T-24 được gắn trên trục pulley đo độ dịch chuyển 109

Hình 4.31 Sơ đồ bố trí các mặt cắt đo biến dạng trên cọc ván thép thử nghiệm 112

Hình 4.32 Tốc độ hạ cọc ván thép theo chiều sâu hạ cọc (lần 1, trụ T2) 117

Hình 4.37 Dịch chuyển của cọc ván thép tại chiều sâu hạ cọc z =250 đến 280 mm (lần 1, f=15 Hz, trụ T2) 117

Hình 4.38 Dịch chuyển của cọc ván thép tại chiều sâu hạ cọc z =11,970 đến 11,989m (lần 1, f=15 Hz, trụ T2) 118

Hình 4.41 Dịch chuyển của cọc ván thép tại chiều sâu hạ cọc z =11,820 đến 11,850m (lần 1, f=25 Hz, trụ T2) 118

Trang 18

Hình 4.43 Dịch chuyển của cọc ván thép tại chiều sâu hạ cọc z =11,870 đến 11,900m

(lần 1, f=30 Hz, trụ T2) 118

Hình 4.44 Dịch chuyển của cọc ván thép tại chiêu sâu hạ cọc z =250 đến 280 mm (lần 1, f=35 Hz, trụ T2) 118

Hình 4.45 Dịch chuyển của cọc ván thép tại chiêu sâu hạ cọc z =10,980 đến 10,990m (lần 1, f=35 Hz, trụ T2) 118

Hình 4.46 Quan hệ giữa tốc độ hạ cọc và lực kích thích với tần số của búa rung 120

Hình 4.47 Lực cản động mũi cọc theo thời gian (f=15 Hz, trụ T2) 125

Hình 4.48 Lực cản động mũi từ 1 đến 2s 125

(f=15 Hz, trụ T2) 125

Hình 4.49 Lực động cản mũi từ 129 đến 130s 125

(f=15 Hz, trụ T2) 125

Hình 4.50 Lực cản động thành cọc theo thời gian (f=15 Hz, trụ T2) 125

Hình 4.51 Lực cản động thành cọc từ 129 đến 130s (f=15 Hz, trụ T2) 125

Hình 4.52 Lực cản động mũi cọc theo thời gian (f=35 Hz, trụ T2) 125

(f=35 Hz, trụ T2) 125

Hình 4.55 Lực cản động thành cọc theo thời gian (f=35 Hz, trụ T2) 125

Hình 4.58 Dịch chuyển của cọc theo thời gian (trụ T2, f=30Hz) 129

Hình 4.59 Gia tốc dao động của cọc (trụ T2, f=30Hz) 130

Hình 4.60 Gia tốc dao động của khung treo (trụ T2, f=30Hz) 130

Hình 4.61 Vận tốc dao động của cọc (trụ T2, f=30Hz) 130

Hình 4.62 Vận tốc dao động của khung treo (trụ T2, f=30Hz) 131

Hình 4.66 Lực cản động mũi cọc (trụ T2, f=30Hz) 132

Trang 19

DANH MỤC CÁC BẢNG DÙNG TRONG LUẬN ÁN

Bảng 1.1 Phân loại búa rung theo tần số và mô men lệch tâm 6

Bảng 1.2 Bảng tổng hợp các công trình nghiên cứu trong nước về quá trình hạ cọc bằng búa rung đã công bố Error! Bookmark not defined Bảng 1.3 Bảng tổng hợp các công trình nghiên cứu ngoài nước về quá trình hạ cọc bằng búa rung theo phương pháp tích phân Error! Bookmark not defined Bảng 2.1 Giá trị biên độ rung của hệ “búa rung - cọc” theo Rodger và Littlejohn (1980) 44

Bảng 2.2 Các thông số đầu vào của búa rung VH-QTUTC70 57

Bảng 2.3 Các thông số đầu vào của cọc ván thép NSP-IIw 58

Bảng 2.4 Loại đất tại trụ T2 và T3 cầu Đồng Quang 61

Bảng 2.5 Giá trị các hệ số thực nghiệm đưa vào tính toán 62

Bảng 3.1 Các thông số kỹ thuật của búa rung 70

Bảng 3.2 Các tùy chọn để thực hiện quá trình tính trong thuật toán di truyền 81

Bảng 3.3 Thông số đầu vào để xác định các thông số hợp lý của búa rung VH-QTUTC70 84

Bảng 3.4 Các thông số kỹ thuật hợp lý của búa rung 84

Bảng 3.5 Kết quả tần số rung (f) và khối lượng khung treo (m1) hợp lý của búa rung 92

Bảng 4 1 Thông số chính của cần trục Liebherr HS833HD [51] 94

Bảng 4.2 Kết quả thô đo biến dạng (ứng suất) tại các mặt cắt trên cọc ván thép (lần 1, trụ T2, tần số f = 15 Hz) 112

Bảng 4.3 Kết quả ứng suất tại các mặt và tổng lực cản của nền đất lên cọc ván thép(lần 1, trụ T2, tần số f = 15 Hz) 113

Bảng 4.4 Kết quả ứng suất tại các mặt cắt và tổng lực cản của nền đất lên cọc ván thép (lần 1, trụ T2, tần số f = 20 Hz) 113

Trang 20

Bảng 4.8 Kết quả thô đo gia tốc, vận tốc, chuyển vị của hệ (lần 1, trụ T2, tần số f=15 Hz)

114

Bảng 4.9 Kết quả gia tốc, vận tốc, chuyển vị của hệ (lần 1, trụ T2, tần số f = 15 Hz) 114

Bảng 4.10 Kết quả gia tốc, vận tốc, chuyển vị của hệ (lần 1, trụ T2, tần số f = 20 Hz) 114 Bảng 4.11 Kết quả gia tốc, vận tốc, chuyển vị của hệ (lần 1, trụ T2, tần số f = 25 Hz) 114 Bảng 4.12 Kết quả gia tốc, vận tốc, chuyển vị hệ (lần 1, trụ T2, tần số f = 30 Hz) 114

Bảng 4.13 Kết quả gia tốc, vận tốc, chuyển vị của hệ (lần 1, trụ T2, tần số f = 35 Hz) 115 Bảng 4.14 Kết quả đo độ dịch chuyển của cọc (lần 1, trụ T2, tần số f = 15 Hz) 115

Bảng 4.15 Kết quả đo độ dịch chuyển của cọc (lần 1, trụ T2, tần số f = 20 Hz) 115

Bảng 4.19 Tổng hợp tốc độ hạ cọc qua các lớp đất tại trụ T2 116

Bảng 4.20 Tổng hợp tốc độ hạ cọc qua các lớp đất tại trụ T3 116

Bảng 4.21 Tổng hợp vận tốc hạ cọc thực nghiệm theo tần số lực rung động và lớp đất 119 Bảng 4.22 Tổng hợp các thông số động lực học của hệ theo tần số lực rung động 124

Bảng 4.23 Bảng tổng hợp hệ số hóa lỏng và hệ số chảy lỏng trung bình theo tần số của các loại đất tại trụ T2 128

Bảng 4.24 Bảng tổng hợp hệ số hóa lỏng và hệ số chảy lỏng trung bình theo tần số của các loại đất tại trụ T3 128

Bảng 4.25 Sai số giữa độ dịch chuyển lý thuyết và thực nghiệm 133

Bảng 4.26 Sai số giữa gia tốc dao động lý thuyết và thực nghiệm 133

Bảng 4.27 Sai số giữa vận tốc dao động lý thuyết và thực nghiệm 133

Bảng 4.28 Sai số giữa chuyển vị lý thuyết và thực nghiệm 133

Bảng 4.29 Sai số giữa lực cán động thành cọc lý thuyết và thực nghiệm 134

Bảng 4.30 Sai số giữa lực cản động mũi cọc lý thuyết và thực nghiệm 134

Trang 21

MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết của đề tài

Cùng với sự phát triển kinh tế xã hội, nhu cầu đầu tư xây dựng cơ sở hạ tầng (trong đó có hạ tầng giao thông vận tải) ngày càng lớn, kéo theo nhu cầu sử dụng thiết bị thi công ngày càng tăng, trong đó có công tác sử dụng các loại búa rung để hạ cọc thép (như cọc ván thép, cọc ống thép…) vào nền đất, đây là biện pháp thi công phổ biến nhất trong quá trình thi công kết cấu móng công trình [47] Ở nước ta, búa rung đã được sử dụng từ lâu [10], nhưng phần lớn các loại búa rung này đều là các loại búa rung nhập ngoại Đến này chưa có một tác giả hay một công trình nào quan tâm nghiên cứu xây dựng cơ sở khoa học đầy đủ và chuyên sâu cho việc tính toán thiết kế, cũng như tính toán lựa chọn búa rung khi thi công trong điều kiện địa chất tại Việt Nam, với đặc điểm cấu trúc địa chất nhiều lớp điển hình, có tính chất cơ lý khác nhau và nằm đan xen với chiều dày khác nhau, nên trong tính toán, việc coi đất có cấu trúc 1 lớp đồng nhất là hoàn toàn không phù hợp với điều kiện làm việc thực tế, điều đó đã lý giải nguyên nhân tại sao rất nhiều sự cố kỹ thuật đã xảy ra trong quá trình sử dụng búa rung khi thi công những năm vừa qua [19]

Từ thực trạng trên cho thấy, việc nghiên cứu tính toán quá trình hạ cọc ván thép vào nền đất nhiều lớp bằng búa rung trên cơ sở phân tích phi tuyến quá trình tương tác giữa các lớp đất với cọc ván thép trong quá trình làm việc là một vấn đề cấp thiết, có ý nghĩa khoa học và thực tiễn cao nhưng đến này chưa có tác giả nào quan tâm nghiên cứu, đặc biệt là bài toán xác định các thông số kỹ thuật hợp lý của búa rung trên quan điểm nghiên cứu hệ "Búa rung - Cọc ván thép - Nền đất nhiều lớp" nhằm tạo cơ sở khoa học cho việc tính toán thiết kế hoặc nâng cao hiệu qua khai thác sử dụng búa rung trong thi công

2 Mục tiêu nghiên cứu

Nghiên cứu xây dựng phương pháp xác định các thông số kỹ thuật hợp lý của búa rung để hạ cọc ván thép vào nền đất nhiều lớp và ứng dụng nghiên cứu cho trường hợp cụ thể để xác định các thông số hợp lý của búa rung VH-QTUTC70 hạ cọc ván thép loại

3 Đối tượng nghiên cứu

- Búa rung loại treo tự do: Luận án chọn búa rung kiểu treo tự do trên cần trục cơ sở, có

tần số rung trong khoảng từ 15 đến 40 Hz làm đối tượng nghiên cứu, đây là loại búa rung

có tần số rung được sử dụng rất phổ biến trong thi công hiện nay, cho nên kết quả nghiên

Trang 22

cứu sẽ có tính ứng dụng và phù hợp thực tế Đối tượng nghiên cứu cho trường hợp cụ thể

là búa rung dẫn động thủy lực VH-QTUTC70, được chế tạo trong nước, có tần số rung từ

15 đến 36,62 Hz và phù hợp với xu hướng sử dụng búa rung dẫn động thủy lực thay thế cho búa rung điện trong những năm gần đây

- Cọc ván thép mặt cắt chữ U: Đây là cọc ván thép loại thông dụng và hiện đang được sử

dụng nhiều trong thi công ở Việt Nam, đồng thời cấu tạo của loại cọc ván thép này cũng phù hợp cho nghiên cứu lý thuyết và nghiên cứu thực nghiệm Trong trường hợp cụ thể, luận án lựa chọn cọc ván thép mặt cắt chữ U có số hiệu NSP-IIw chế tạo tại Việt Nam (theo tiêu chuẩn của Nhật Bản) là đối tượng nghiên cứu sẽ thể hiện được tính chất đại diện điển hình của đối tượng nghiên cứu

- Nền đất nhiều lớp: Đến nay chưa có công trình nào quan tâm đến việc nghiên cứu quá

trình hạ cọc ván thép bằng búa rung vào nền đất nhiều lớp, mỗi lớp đất được đặc trưng bởi các chỉ tiêu cơ lý và chiều dày khác nhau, có quan tâm đến việc tính toán các thành phần lực cản động của các lớp đất này lên cọc ván thép dựa trên cơ chế tương tác giữa các lớp đất đó với cọc ván thép dưới tác dụng của lực rung động do búa rung tạo ra Luận

án sử dụng các thông số địa chất tại công trình cầu Đồng Quang để tính toán cho trường hợp cụ thể vì địa chất tại đây có cấu trục địa chất nhiều lớp (gồm các lớp đất cát và đất sét, đây là các loại đất điển hình cho các loại đất ở nước ta) được phân lớp rõ ràng nên phù hợp cho mục đích nghiên cứu của luận án

4 Phương pháp nghiên cứu

- Phương pháp thống kế, phân tích tổng hợp để xây dựng các mục tiêu, nhiệm vụ

và mô hình tính toán của luận án

- Phương pháp toán học để xây dựng bài toán xác định các thông số hợp lý

- Phương pháp số để lập trình các chương trình tính

- Phương pháp thực nghiệm để xác định các hệ số thực nghiệm

5 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài Luận án

- Nghiên cứu thiết lập phương pháp và chương trình tính bài toán hạ cọc ván thép bằng búa rung vào nền đất nhiều lớp không chỉ phục vụ cho riêng cọc ván thép mà còn là

cơ sở ứng dụng cho quá trình hạ các loại cọc khác như cọc ống thép, cọc bê tông… bằng lực rung động vào nền đất nhiều lớp Đồng thời có thể ứng dụng chương trình tính này phục vụ cho việc tính toán, thiết kế hợp lý đối với các loại búa rung chế tạo trong nước

Trang 23

- Nghiên cứu ứng dụng thuật toán di truyền và xây dựng chương trình tính trên máy tính để xác định các thông số kỹ thuật hợp lý của búa rung trong bài toán hạ cọc ván thép vào nền đất nhiều lớp, các thông số này có thể sử dụng được trong tính toán thiết kế hoặc lựa chọn, khai thác sử dụng búa rung trong quá trình thi công

- Quá trình nghiên cứu thực nghiệm với quy trình thực nghiệm hợp lý và thiết bị

đo hiện đại tạo cơ sở cho việc xây dựng phương pháp thực nghiệm trên các loại máy xây dựng khác

- Nghiên cứu thực nghiệm đã xác định được các thành phần lực cản động thực tế của nền đất tác dụng lên cọc ván thép dưới tác dụng của tải trọng rung động, từ đó xác định được các hệ số hóa lỏng và hệ số chảy lỏng động của một số loại đất tại công trình cầu Đồng Quang (Ba Vì, Hà Nội) [5], [23], có thể sử dụng kết quả này để tính toán thiết

kế và khai thác sử dụng búa rung trong thực tế thi công

6 Tính mới của luận án:

- Đã nghiên cứu động lực học hệ “Búa rung - Cọc ván thép - nền đất nhiều lớp”, bao gồm việc xây dựng mô hình toán cho bài toán hạ cọc ván thép vào nền đất nhiều lớp bằng búa rung có quan tâm đến cơ chế tương tác giữa các lớp đất với cọc ván thép dưới tác dụng của lực rung động, xây dựng sơ đồ thuật toán và chương trình tính toán

- Đã nghiên cứu phương pháp xác định các thông số hợp lý của búa rung khi hạ cọc ván thép vào nền đất nhiều lớp, bao gồm xây dựng hàm mục tiêu, sơ đồ thuật toán và chương trình tính toán Áp dụng chương trính tính toán cho trường hợp cụ thể, xác định

trong điều kiện địa chất nhiều lớp tại công trình cầu Đồng Quang (Ba Vì, Hà Nội)

- Bằng phương pháp nghiên cứu thực nghiệm đã xác định được các giá trị hệ số hóa lỏng và hệ số chảy lỏng của các loại đất tại trụ T2 và T3 công trình cầu Đồng Quang (Ba Vì, Hà Nội)

7 Bố cục của luận án: Luận án được bố cục theo các nội dung sau

Trang 24

công bố về việc xác định các thành phần lực cản động của đất trong bài tán hạ cọc ván thép bằng lực rung động để từ đó lựa chọn các mô hình đất phù hợp cho các loại đất trong bài toán hạ cọc ván thép vào nền đất nhiều lớp bằng búa rung Đồng thời phân tích và lựa chọn lý thuyết xác định các thông số hợp lý của búa rung trong quá trình hạ cọc ván thép vào nền đất nhiều lớp Thông qua việc phân tích các kết quả đã đạt được và những tồn tại chưa được giải quyết của các công trình đã công bố trong và ngoài nước, luận án đưa ra tính cấp thiết của đề tài và xây dựng các nội dung nghiên cứu của luận án

Chương 2 Nghiên cứu hệ “Búa rung - Cọc ván thép - Nền đất nhiều lớp”

Phân tích các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình hạ cọc bằng búa rung, xác định các thông số của hệ cần xác định, từ đó tiến hành xây dựng mô hình tính, lựa chọn mô hình toán xác định các thành phần lực cản động của các lớp đất lên cọc ván thép, xây dựng và đánh giá độ tin cậy chương trình tính đã xây dựng được, ứng dụng tính cho trường hợp cụ

T2,T3 công trình cầu Đồng Quang (Ba Vì, Hà Nội)

Chương 3 Nghiên cứu xác định các thông số kỹ thuật hợp lý của búa rung khi hạ cọc ván thép vào nền đất nhiều lớp

Xây dựng phương pháp và chương trình tính toán xác định các thông số kỹ thuật hợp lý của búa rung trong hệ “Búa rung - Cọc ván thép - Nền đất nhiều lớp”, áp dụng tính toán cho trường hợp cụ thể, xác định các thông số kỹ thuật hợp lý của búa rung VH-

công trình cầu Đồng Quang (Ba Vì, Hà Nội), từ đó đưa ra một số kiến nghị, giải pháp để tối ưu quá trình hạ cọc ván thép bằng búa rung

Chương 4 Nghiên cứu thực nghiệm quá trình hạ cọc ván thép tại công trình thi công cầu Đồng Quang (Ba Vì, Hà Nội) bằng búa rung do Việt Nam chế tạo

Nghiên cứu thực nghiệm nhằm xác định các thành phần lực cản động của các loại đất tác dụng lên cọc ván thép khi hạ bằng búa rung, qua đó xác định các hệ số thực nghiệm (hệ số hóa lỏng và hệ số chảy lỏng của các loại đất) để xác định các thành phần lực cản động trong lý thuyết tính toán ở Chương 2 và Chương 3

Kết luận và Kiến nghị: Trình bày các kết luận chính, các đóng góp và kết quả mới của

luận án và hướng nghiên cứu tiếp theo

Tài liệu tham khảo

Các phụ lục

Trang 25

CHƯƠNG 1 NGHIÊN CỨU TỔNG QUAN VỀ HỆ “BÚA RUNG - CỌC VÁN

và vùng đất xung quanh cọc dưới dạng các sóng dao động, các sóng dao động này một phần sẽ làm giảm lực cản của đất lên cọc, phần còn lại sẽ tạo ra lực ấn làm cọc đi xuống

Hình 1.1 Sơ đồ cấu tạo búa rung

a Búa rung kiểu cứng; b Búa rung kiểu mềm: c Búa va-rung

1 Động cơ ;2 Bộ truyền động; 3 Thân búa (bộ gây rung); 4 Bánh lệch tâm; 5 Thiết bị kẹp

cọc; 6 Cọc; 7 Khối lượng phần treo; 8, 10: Lò xo; 9 Đầu đấm; 11 Đe

Lực rung động chính là hợp lực ly tâm theo phương thẳng đứng của các cặp bánh lệch tâm tạo ra khi quay Các bánh lệch tâm 4 được dẫn động bởi động cơ 1 (điện hoặc động cơ thủy lực) thông qua các bộ truyền động 2, trong đó búa rung dẫn động thủy lực

có ưu điểm là gọn nhẹ hơn, khả năng điều chỉnh tần số linh hoạt và êm thuận hơn so với

3 4 9

10 11

6

1

7 2

8

Trang 26

búa rung dẫn động bằng điện Lực rung động là thông số cơ bản nhất của búa rung, trị số của nó phụ thuộc vào giá trị mô men lệch tâm và tốc độ quay của các bánh lệch tâm Biên

độ rung giữ vai trò quan trọng khi hạ cọc, không thể hạ được cọc vào nền khi biên độ rung động của hệ búa - cọc nhỏ hơn biến dạng đàn hồi của đất và chỉ khi giá trị biên độ này lớn hơn chuyển vị đàn hồi của đất (gây ra chuyển vị dư) thì cọc mới dịch chuyển đi xuống Tần số rung ảnh hưởng trực tiếp đến hiệu quả quá trình hạ cọc, nếu tần số rung thấp cọc và đất chỉ dao động yếu, khi đó cọc và lớp đất xung quanh bề mặt cọc chuyển vị đồng thời cùng nhau (đất biến dạng đàn hồi nên không có biến dạng dư) và cọc không đi xuống, vì vậy tần số rung phải đủ lớn để phá vỡ liên kết giữa đất với đất (vùng quanh cọc) và giữa đất với bề mặt cọc, làm lớp đất xung quanh cọc bị chảy lỏng hoặc hóa lỏng dẫn đến giảm lực cản của đất lên cọc và làm cọc đi xuống Ngoài ra, theo [43], [46], [37] búa rung được phân loại theo tần số rung và mô men lệch tâm như trong bảng 1.1

Bảng 1.1 Phân loại búa rung theo tần số và mô men lệch tâm

Loại búa rung Khoảng tần số, Hz Mô men lệch tâm, kg.m

Hình 1.2 Búa rung dẫn động thủy lực tích hợp trên máy đào một gầu

1 Van khoá; 2 Đường dầu hồi; 3 Đường dầu áp cao; 4 Đường ống dẫn dầu cho búa rung;

5 Thùng dầu thuỷ lực; 6 Két làm mát dầu; 7 Bơm thuỷ lực; 8 Van điều khiển; 9 Cần điều

khiển búa; 10 Búa rung thuỷ lực; 11 Cọc

Có hai hình thức chính để tích hợp búa rung với máy cơ sở gồm kiểu treo cứng (hình 1.3) và kiểu treo tự do (hình 1.4)

Trang 27

Hình 1.3 Búa rung lắp trên máy cơ sở có sử

dụng giá dẫn hướng (kiểu treo cứng)

1 Búa rung; 2 Cơ cấu kẹp cọc; 3 Cần; 4

Cabin; 5 Máy cơ sở

Hình 1.4 Búa rung lắp trên cần trục cơ sở

(kiểu treo tự do)

Trong luận án, nghiên cứu sinh chọn hình thức búa rung treo tự do trên cần trục cơ

sở (hình 1.4) làm đối tượng nghiên cứu, hình thức này sử dụng hiệu quả trong quá trình thi công cọc có chiều dài lớn hoặc tầm với lớn (như trong thi công mố trụ cầu, cảng sông, cảng biển…), đặc điểm của kiểu này là búa được treo tự do trên cáp nên không tạo được lực ép khi hạ cọc vì vậy hình thức này thường được sử dụng cho các loại búa rung lớn

1.1.1.2 Cọc ván thép

Hình 1.5 Cọc ván thép dạng tấm Hình 1.6 Cọc ván thép dạng chữ U

Cọc ván thép (còn gọi là cừ thép, cừ Larssen ) được sử dụng lần đầu tiên vào năm

1908 tại Mỹ trong dự án xây dựng cảng Black Rock và cho đến nay chúng được sử dụng rộng rãi trong xây dựng vì những ưu điểm như trọng lượng nhẹ nhưng khả năng chịu lực cao với tải trọng động và tải trọng lặp chu kỳ; có thể tái sử dụng nhiều lần, dễ sử dụng và chế tạo; được tiêu chuẩn hóa và sản xuất hàng loạt Cọc ván thép được sử dụng để làm tường chắn của các công trình tại nơi có địa hình đồi dốc phức tạp hay men theo bờ sông;

1 2 3 4

5 7

8

6

1: Cäc v¸n thÐp 2: M¸ kÑp cäc 3: BÖ g©y rung 4: Xµ treo 5: Mãc cÈu 6: C¸p n©ng bóa 7: §-êng èng dÉn dÇu thñy lùc 8: CÇn trôc c¬ së

Trang 28

làm tường tầng hầm thay cho tường bê tông cốt thép trong các công trình nhà; hay làm khung vây tạm thời phục vụ thi công trong thi công các công trình hạ tầng,…

Hiện nay cọc ván thép được sản xuất với nhiều hình dạng, kích thước khác nhau

và ngày càng được cải thiện về khả năng chịu lực Ngoài cọc ván thép có mặt cắt ngang dạng chữ U, Z thông thường còn có loại mặt cắt ngang Omega (W), dạng tấm phẳng

Ở nước ta hiện nay có rất nhiều loại cọc ván thép khác nhau về nguồn gốc, về tiêu chuẩn và hình dạng, như các loại cọc ván thép được sản xuất theo tiêu chuẩn của liên bang Nga, Trung Quốc, Nhật Bản… trong đó loại cọc ván thép sản xuất theo tiêu chuẩn của Nhật Bản chế tạo tại Việt Nam hiện đang được sử dụng nhiều nhất, có chất lượng tốt đáp ứng được các yêu cầu của tiêu chuẩn Việt Nam, giá thành hợp lý Mặt khác, Nhật Bản hiện đang là nước đứng đầu trong đầu tư xây dựng hạ tầng ở Việt Nam nên họ yêu tiên sử dụng các loại cọc ván thép được sản xuất bởi các công ty Nhật Bản Xuất phát từ

của Nhật Bản, được chế tạo tại Việt Nam và là

loại được sử dụng phổ biến nhất hiện nay để

làm đối tượng nghiên cứu trong bài toán hạ

cọc ván thép bằng búa rung Mặt cắt ngang

Hình 1.7 Mặt cắt cọc ván thép NSP-II w

1.1.1.3 Nền đất nhiều lớp

Trong quá trình thành tạo lớp bề mặt vỏ trái đất như quá trình trầm tích, phong hóa,… theo thời gian sẽ tạo lên các lớp đất, đá có thành phần, tính chất, màu sắc và chiều dày khác nhau Các lớp đất được tạo thành do kết quả quá trình phong hóa vật lý và hóa học của các loại đá gốc, chúng là những mảnh vụn chưa được gắn kết với nhau trong quá trình trầm tích Tuy thuộc vào các yếu tố như khí hậu, vật liệu gốc, sinh vật, địa hình và thời gian, đồng thời dưới tác động của các thay đổi về điều kiện tự nhiên như quá trình trầm tích, sự làm chặt do trọng lượng của các tầng trầm tích mới phủ lên, sự xói mòn, sự ngập nước hay tháo khô của hoạt động kiến tạo… sẽ ảnh hưởng đến việc hình thành đặc điểm và các tính chất vật lý của từng lớp đất này Từ đó cho thấy tại bất cứ ở vị trí nào trên trái đất, bề mặt cũng được bao phủ bởi các lớp đất có tính chất và chiều dày khác nhau Không nằm ngoài quy luật trên, do đặc điểm địa hình đặc biệt nên cấu trúc địa chất của nước ta được phân lớp tương đối rõ ràng, đó là kết quả của quá trình trầm tích lục địa

và trầm tích vùng vịnh hình thành lên các lớp cát, sạn, dăm, sét, sét pha, cát pha…[14],

Trang 29

[20], [22] Một số mặt cắt địa chất điển hình cho cấu trúc địa chất nhiều lớp của Hà Nội, thành phố Hồ Chí Minh và thành phố Huế như trên các hình 1.8 đến hình 1.10

Hình 1.8 Cấu trúc địa chất điển hình của Hà Nội, [26]

a Cấu trúc địa chất tại số 10 Trần Nhật Duật, P Tân Định, Q 1, TP Hồ Chí Minh [2]

b Cấu trúc địa chất tại khu dân cư Cát Lái, P Cát Lái, Q 2, TP Hồ Chí Minh [1] Hình 1.9 Một số dạng cấu trúc địa chất điển hình của TP Hồ Chí Minh

§Êt yÕu hÖ tÇng Th¸i b×nh

§Êt yÕu hÖ tÇng H¶i H-ng

§Êt yÕu hÖ tÇng VÜnh Phóc

§Êt lÊp SÐt sÐt pha C¸t pha

C¸t Sái c¸t cuéi

14

10 14 19

22 23 24

13 18 19

9 12

22 18 121 15

15

24 24

25

22

22 22 24 21 19

19 19 23 23 18 18 15

6 6

25 25

13 19 24 25

25 22 18

12 20 22 24 18 23

14 22 24 16

13 18

22 24 25

14

13 22 18

13 15

11 13 15 18

12 18 17

18

13 18 20

13 18 22

Trang 30

Hình 1.10 Một số dạng cấu trúc địa chất điển hình của thành phố Huế [16]

Vì vậy, việc coi nền đất là đồng nhất 1 lớp trong bài toán hạ cọc bằng búa rung sẽ

không đúng với cấu trúc địa chất thực, nhưng để đơn giản hầu hết các tác giả, các công

trình nghiên cứu đã công bố đến nay đều giả thiết nền đất có cấu trúc 1 lớp đồng nhất và

chưa có công trình nào đề cập nghiên cứu đối với nền đất có cấu trúc nhiều lớp theo đúng

cấu trúc thực của môi trường đất Từ đó, luận án lựa chọn nền đất nhiều lớp là đối tượng

nghiên cứu, nhưng do tính chất phức tạp và đa dạng của các loại hình địa chất nền đất

nhiều lớp tại các vùng miền khác nhau, vì vậy phạm vi đối tượng đất nhiều lớp mà luận

án lựa chọn để phân tích chi tiết nhằm cụ thể hóa mục đích nghiên cứu là cấu trúc địa

chất nhiều lớp tại Hà Nội, từ đó sử dụng dữ liệu các loại đất ở Hà Nội làm cơ sở trong

tính toán bài toán hạ cọc ván thép bằng búa rung Theo các tài liệu [15], [21], [17], [25],

địa chất Hà Nội chủ yếu có dạng nền phân lớp hình thành chủ yếu từ đất sét, á sét (như

trầm tích pleixtoxen trên, trầm tích Holoxen trên), cát, á cát (như cát trầm tích biển lục

địa hạt trung hoặc cát pha sông Holoxen) và các lớp đất yếu (như than bùn, bùn, sét dạng

than bùn trầm tích biển Holoxen trung)… Các dạng cấu trúc địa chất và chỉ tiêu cơ lý của

các loại đất nền điển hình của Hà Nội được trình bày chi tiết trong Phụ lục B của luận án

Trang 31

1.1.2 Các công trình nghiên cứu về quá trình thi công cọc bằng búa rung đã được công bố

1.1.2.1 Các công trình nghiên cứu trong nước

Bảng 1.2 Bảng tổng hợp các công trình nghiên cứu trong nước về quá trình hạ cọc bằng búa rung đã công bố

m: Khối lượng quy kết của búa rung; S, K: Độ cứng và hệ

R smax : Lực cản thành lớn nhất;

P kt : Lực rung động

- Kết quả đạt được: Tác giả đã tiến hành phân tích và đưa ra mô hình cơ

học tính toán động lực học búa rung một khối lượng, phân tích lực cản của nền đất lên cọc gồm 2 thành phần cơ bản (lực cản mũi cọc và lực cản thành cọc), xây dựng công thức lý thuyết tính các thành phần lực cản này nhưng chưa đề cập đến phương pháp xác định chúng

R t

R t1

R t2

R t3

Trang 32

thành đổi chiều theo hướng vận tốc

- Phương pháp nghiên cứu: Nghiên cứu lý thuyết

- Mô hình đất: Không đề cập

- Hệ phương trình chuyển động của búa và cọc gồm hai giai đoạn:

Giai đoạn rung (a): Khi cọc chưa bị trượt khối lượng đất bám (m đ ) vào cọc m 2 nên tạo thành khối lượng phần rung của búa, cọc và đất: m * = m 2 +

m đ Hệ phương trình vi phân mô tả chuyển động của hệ khi đó:

Với S 1 : Độ cứng của lò xo liên kết giữa hai khối lượng m 1 và m 2 ; S 2 :

Độ cứng của nền đất; z 1 và z 2 : Dịch chuyển của các khối lượng m 1 và m 2

- Kết quả đạt được: Tác giả đã đưa ra mô hình tính toán búa rung hạ cọc

và mô tả lý thuyết cơ chế hoạt động của hệ búa rung - cọc - đất trong quá trình làm việc gồm quá trình rung và trượt, phân tích cơ chế tương tác của các lực cản đất lên cọc trong quá trình làm việc, nhưng tác giả chưa đề cập

đến phương pháp tính toán các thành phần lực cản này

z

RS G

m2

R S Sign(z).

Trang 33

- Kết quả đạt được: Các tác giả xây dựng mô hình động lực học cho bài

toán hạ cọc thép bằng búa rung trên cơ sở phát triển mô hình toán và mô hình đất của tác giả Svetlana Polukoshko [56], trong đó các thành phần lực cản thành được xác định thông qua áp lực ngang của đất theo chiều sâu hạ cọc và các hệ số thực nghiệm kể đến sự suy giảm của thành phần này dưới tác dụng của lực rung động Kết quả là đã ứng dụng để xác định các thông số động lực học của bài toán hạ cọc ống thép vào nền đất bằng búa rung, với giả thiết coi cấu trúc địa chất là đồng nhất có tính đàn hồi, chưa xét đến tính chất dẻo nhớt của đất khi bị rung động và các thông số của đất đưa vào mô hình được đơn giản hóa

0,5m e

R t R S

Trang 34

F z dt A

- Kết quả đạt được: Tác giả giải quyết bài toán hạ chìm cọc ống thép vào

nền đất ngoài đảo để xác định các thông số động lực học với giả thiết coi nền đất có tính đàn hồi, trên cơ sở bài toán động lực học của hệ, tác giả xây dựng công thức xác định chi phí năng lượng của quá trình hạ cọc để đánh giá chi phí năng lượng riêng cho quá trình hạ cọc bằng búa rung

[13]

- Loại búa rung:

Búa rung hoặc

- Phương trình chuyển động của hệ:

P kt0 sin(  t): Lực rung động của búa;

R smax : Biên độ lực ma sát thành cọc;

- Kết quả đạt được: Tác giả đã đã xây dựng mô hình động lực học gồm khối lượng búa - cọc - "nút đất" để giải bài toán hạ cọc tràm vào nền đất yếu (sét dẻo và cát bụi) bằng búa rung hoặc va rung loại nhỏ dưới 100 kg tại khu vực Nam bộ của Việt Nam Với mô hình này, tác giả đã quan tâm đến ảnh hưởng của các thành phần lực cản do đất tác dụng lên cọc và cơ chế tương tác giữa chúng với cọc

Trang 35

cao và cát bụi) cọc; R S : Lực ma sát thành cọc; z 1 , z 2 , z 3 : Lần lượt là chuyển

vị của búa, cọc và "nút đất"

- Phương pháp nghiên cứu: Kết hợp giữa nghiên cứu lý

thuyết và nghiên cứu thực nghiệm

- Mô hình đất: Không đề cập

[9]

- Loại búa rung:

Búa rung điện

- Phương pháp nghiên cứu: Kết hợp giữa nghiên cứu lý

thuyết và nghiên cứu thực nghiệm

- Mô hình đất: Coi đất là môi trường đàn hồi của vật rắn và

đươc đặc trưng bởi các phần tử đàn hồi và phân tử cản nhớt

2 2 2 2 1 2 2 1 kt 02

m z K (z - z ) S (z - z ) P Sin( t) m.z K z - K (z - z ) S z - S (z - z ) P Sin( t) R

- Kết quả đạt được: Tác giả nghiên cứu bài toán dao động của quá trình

hạ cọc bê tông vào nền đất cát và đất sét bằng hai búa rung nối ghép với nhau, từ đó tác giả chỉ ra quá trình hạ cọc vào đất bằng búa rung phụ thuộc vào biên độ và tần số rung động của hệ hay phụ thuộc vào tính chất

cơ lý của đất, các thông số của cọc và các thông số của búa rung Tác giả coi cọc cứng tuyệt đối, môi trường đất xem như môi trường đàn hồi của vật rắn và khi đó lực cản của đất lên cọc là hàm tuyến tính của dịch chuyển và vận tốc dao động, lực cản này chỉ tồn tại trên đoạn tiếp xúc giữa cọc với đất.

Trang 36

Nhận xét: Từ các công trình nghiên cứu của các tác giả trong nước, có thể thấy:

- Một số tác giả nghiên cứu động lực học quá trình hạ cọc bằng búa rung trên quan điểm của bài toán cơ học hạ thanh (cứng tuyệt đối hoặc là đàn hồi) vào môi trường nền đất đàn hồi [4], [9], nên không mô tả được cơ chế ứng xử phức tạp của môi trường đất dưới tác dụng của lực rung động

- Một số tác giả nghiên cứu xây dựng mô hình và giải bài toán động lực học quá trình hạ cọc bằng búa rung qua các mô hình cơ học một khối lượng, có quan tâm đến thành phần lực ma sát thành bên theo chiều sâu hạ cọc [29] hay mô hình búa rung nối cứng với cọc trong môi trường nền đất có tính đàn - dẻo [3] Các tác giả xây dựng công thức lý thuyết xác định các thành phần lực cản của nền đất lên cọc dưới dạng lực tĩnh và chưa đưa ra phương pháp tính toán các thành phần lực cản này trong quá trình làm việc (chưa xây dựng mô hình đất và phương trình toán các thành phần lực cản)

- Một số tác giả nghiên cứu xây dựng mô hình động lực học [13] hoặc phân tích lựa chọn mô hình động lực học của các tác giả trên thế giới [8], [11], [18] áp dụng cho các trường hợp cụ thể, từ đó đưa ra các kiến nghị đối với quá trình tính toán, thiết kế hay khai thác sử dụng búa rung khi hạ cọc với giả thiết coi cọc là cứng tuyệt đối, nền đất coi

là đồng nhất 1 lớp và là môi trường đàn hối tuyến tính, tức là bỏ qua tính đàn - dẻo - nhớt của môi trường đất và chưa quan tâm đến sự thay đổi của các thành phần lực cản động giữa đất với cọc khi rung Có tác giả tiến hành nghiên cứu thực nghiệm trên mô hình thực nghiệm thu nhỏ [13], do đó kết quả thu được sẽ sai khác nhiều so với thực tế và khó có thể so sánh, kiểm chứng đánh giá với kết quả lý thuyết

- Việc nghiên cứu quá trình hạ cọc ván thép bằng búa rung trong điều kiện địa chất

có cấu trúc nhiều lớp tại một vùng miền cụ thể ở Việt Nam đến này vẫn chưa có tác giả nào quan tâm và cũng chưa có công trình nào đề cập đến

Từ đó cho thấy, ở nước ta các công trình nghiên cứu tính toán quá trình hạ cọc bằng búa rung đến nay còn thiếu và hạn chế Vì vậy, nghiên cứu quá trình hạ cọc ván thép vào nền đất nhiều lớp bằng búa rung có quan tâm đến việc xác định các thành phần lực cản động giữa đất với cọc dựa trên mô hình tương tác giữa “các lớp đất - cọc” trong quá trình làm việc là một nội dung hoàn toàn mới và chưa được đề cập trong bất kỳ công trình nghiên cứu nào

1.1.2.2 Các công trình nghiên cứu ngoài nước: Nghiên cứu quá trình hạ cọc bằng búa

rung đã và đang được nhiều tác giả trên thế giới quan tâm với nhiều cách tiếp cận khác

Trang 37

nhau Sự khác biệt trong các nghiên cứu này không chỉ về mô hình tính toán mà còn về phương pháp xác định các thành phần lực cản động giữa đất với cọc hay các thông số địa

kỹ thuật đưa vào tính toán Để có thể phân tích, đánh giá tổng quát những kết quả, hạn chế của các công trình nghiên cứu này, luận án tiến hành phân tích, đánh giá theo nhóm phương pháp nghiên cứu, cụ thể gồm:

- Phương pháp thông số ban đầu: Điển hình là công trình nghiên cứu của Savinov và

Luskin đề cập trong [46], các tác giả sử dụng thông số thực nghiệm và thông số vi phân

lý thuyết (tỷ lệ gia tốc, vận tốc, lực cản đất, hệ số của đất, hệ số vật liệu cọc và áp lực mũi cọc) để xác định các thông số của búa rung với giả thiết coi cọc cứng tuyệt đối Phương pháp này được xây dựng dựa trên các hệ số kinh nghiệm nên tính toán đơn giản, nhưng chưa quan tâm đến hiệu suất công có ích, ảnh hưởng của tần số rung đến quá trình hạ cọc

và chưa coi vận tốc hạ cọc là một thông số cần xác định

- Phương pháp cân bằng năng lượng: Theo phương pháp này, để hạ được cọc vào nền

đất thì năng lượng do búa rung tạo ra tối thiểu phải bằng với năng lượng tiêu thụ để khắc phục lực cản của đất tác dụng lên cọc, từ đó xác định được sức kháng của nền đất hoặc tốc độ hạ cọc trung bình khi biết trước các thông số của búa rung, các tác giả điển hình như Davisson trong [53], Warrington trong [71, 72], Wang trong [45, 69]

- Phương pháp cân bằng lực: Bằng việc xác định công suất của búa rung khi có các

thành phần lực cản tác dụng lên cọc trong quá trình hạ cọc, sử dụng để so sánh biên độ lực kích thích với biên độ của lực cản tác dụng lên cọc, không xác định được tốc độ hạ cọc Điển hình như phương pháp Beta của Jonker đề cập trong [46] xác định khả năng hạ cọc bằng búa rung dựa trên kinh nghiệm của tác giả thu được trong dự án hạ cọc ống thép đường kính lớn bằng búa rung ngoài biển, hay phương pháp Tünker của Warrington đề cập trong [71] xác định lực rung động của búa rung khi biết trước loại cọc và loại đất

- Phương pháp bảo toàn động lượng: Dựa trên lý thuyết cân bằng giữa xung lượng của

lực cản động của đất lên cọc với động lượng do tổng khối lượng của hệ tạo ra trong mỗi chu kỳ, để xác định tốc độ hạ cọc, tác giả điển hình là Schmid đề cập trong [60]

- Phương pháp truyền sóng được đề cập trong [38], [46], [52], [64]: Bằng việc xây

dựng và giải hệ các phương trình vi phân chuyển động của hệ theo thời gian để xác định các thông số của quá trình hạ cọc Theo phương pháp này có thể kể đến mô hình truyền sóng dọc một chiều được sử dụng để phân tích quá trình hạ cọc bằng búa chấn động, với giả thiết các thành phần lực cản tác dụng lên cọc là hàm của chuyển vị, vận tốc dịch

Trang 38

chuyển của cọc và sức kháng tối đa của đất theo thời gian, có kể đến sự tương tác giữa cọc và nền đất như được Smith thể hiện qua mô hình phân tử đàn hồi (lò xo) - phần tử trượt (sức kháng tối đa) -

phân tử giảm chấn (cản nhớt),

tuy nhiên các tác giả không

công bố bất cứ thông tin nào

liên quan đến giá trị các thông

số đặc trưng của nền đất và

cách sử dụng các thông số

này trong tính toán Các tác

giả điển hình theo phương

pháp này gồm Isaacs (1931),

Smith (1960), Chua (1987),

Gardner (1987), Middendorp

(1987), Moulai-Khatir (1994)

- Phương pháp tích phân hệ phương trình chuyển động đề cập trong [46], [39], [43], [56], [63]: Phương pháp này được các tác giả Holeyman (1996), Vanden Berghe (1997),

De Cock (1998), Dierssen (1994), Vanden Berghe (2001), Viking (2002) và Svetlana Polukoshko (2010) nghiên cứu để xây dựng phương trình chuyển động của hệ dựa trên nguyên lý D'Alembert và Lagrange Sau đó tiến hành tích phân các phương trình chuyển động để xác định các thông số như: gia tốc, vận tốc, chuyển vị, tốc độ hạ cọc… theo thời gian Phương pháp này có nhiều ưu điểm so với các phương pháp đã phân tích ở trên như: Có thể xây dựng được hệ phương trình toán mô tả quá trình làm việc của hệ, từ đó

có thể ứng dụng các chương trình tính toán hiện đại để xác định các thông số làm việc của hệ theo thời gian; có thể mô phỏng được quá trình tương tác giữa cọc với đất trong quá trình làm việc bằng các mô hình đất (thông qua các hàm toán học), từ đó xác định được các thành phần lực cản động của đất tác dụng lên cọc trong mỗi chu kỳ tác dụng của lực rung động, nhờ đó có kết quả tính toán sẽ đúng với thực tế hơn Với lý do trên nên phương pháp này được nhiều tác giả trên thế giới sử dụng để nghiên cứu bài toán hạ cọc bằng búa rung Vì vậy, luận án tập trung phân tích, đánh giá chi tiết các nghiên cứu nổi

bật của phương pháp này như tổng hợp trong bảng 1.4

Trang 39

Bảng 1.3 Bảng tổng hợp các công trình nghiên cứu ngoài nước về quá trình hạ cọc bằng búa rung theo phương pháp tích phân

- Phương pháp nghiên cứu: Kết hợp giữa nghiên cứu lý thuyết

(phương pháp tích phân và phương pháp số) và nghiên cứu thực nghiệm

- Mô hình đất: Đã xây dựng được mô hình động của đất từ đó

xây dựng được phương trình toán xác định các thành phần lực cản của nền đất tác dụng lên cọc trong quá trình hạ cọc bằng búa rung

2

Trong đó:

z: Gia tốc dịch chuyển của hệ, m/s 2 ;

m d: Khối lượng phần rung của hệ, kg

M e: Mô men tĩnh lệch tâm, kg;

 : Tần số dao động, rad/s;

R t , R s , R c: Lần lượt là lực cản mũi cọc, lực cản thành cọc, lực ma sát trong khóa cài giữa cọc với cọc, N

- Kết quả đạt được: Đã phân tích và đưa vào mô hình đất để xây

dựng phương trình toán cho lực cản thành và lực cản mũi cọc dưới tác dụng của tải trọng chu kỳ do búa rung tạo ra từ đó xác định các

thông số làm việc của hệ

[46] - Loại búa - Mô hình tính: - Phương trình chuyển động của hệ:

Trang 40

rung: Búa rung

- Phương pháp nghiên cứu: Kết hợp giữa nghiên cứu lý thuyết

(phương pháp tích phân và phương pháp số) và nghiên cứu thực

nghiệm

- Mô hình đất: Đã xây dựng được mô hình động của đất từ đó

xây dựng được phương trình toán xác định các thành phần lực cản của nền đất tác dụng lên cọc trong quá trình hạ cọc bằng búa rung

Trong đó: z(t): Gia tốc dịch chuyển của cọc, m/s 2 ;

m tong : Tổng khối lượng của búa và cọc, kg;

m 2 : Khối lượng phần rung, kg;

M e : Mô men tĩnh, kg.m;

 : Tần số góc, rad/s;

r i : Bán kính tương đương của cọc (chu vi/2  ), m;

h i : Chiều sâu hiện tại của cọc, m;

 i : Lực cắt đơn vị tại bề mặt tương tác giữa cọc và đất, kN/m2 ;

R t : Sức kháng động mũi cọc, kN

- Kết quả đạt được: Đã xây dựng được mô hình tính toán bài toán

hạ cọc ống thép vào nền đất không dính (đất rời) đồng nhất 1 lớp bằng búa rung Đã phân tích và đưa vào mô hình đất để xây dựng phương trình toán cho lực cản thành và lực cản mũi cọc dưới tác dụng của tải trọng chu kỳ do búa rung tạo ra và quan tâm đến quy luật thay đổi của chúng trong mỗi thời điểm của một chu kỳ tải trọng, kết hợp với nghiên cứu thực nghiệm để đưa ra một số hệ số điều chỉnh, từ đó cho phép xác định được các thông số của bài toán

[46] - Loại búa - Mô hình tính: - Phương trình chuyển động của hệ:

Định dạng
Số trang	164
Dung lượng	19,39 MB