Nghiên cứu công nghệ và thiết bị hệ thống phun trộn tạo cọc xi măng đất, xác định kết cấu và các thông số cơ bản của bộ công tác phù hợp điều kiện việt nam

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 1.1 Khái niệm về nền đất yếu Trình bày khái quát về nền đất yếu, các đặc điểm về phân bố nền đất yếu trên các vùng của Việt Nam 1.2 Các phương p

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU

1.1 Khái niệm về nền đất yếu

Trình bày khái quát về nền đất yếu, các đặc điểm về phân bố nền đất yếu trên các vùng của Việt Nam

1.2 Các phương pháp và công nghệ gia cố nền đất yếu bằng cọc XMĐ Tóm tắt các phương pháp cải tạo nền đất yếu nói chung và ưu thế của cải tạo nền yếu bằng trộn đất tại chỗ với chất kết dính,

1.3 Các yếu tố ảnh hưởng khi gia cố nền yếu bằng cọc xi măng đất

Bao gồm: Đặc điểm của chất kết dính; Đặc điểm và điều kiện đất; Điều kiện trộn; Điều kiện bảo dưỡng; Máy và hệ thống thiết bị thi công

Kết luận chương 1

Việt Nam có nhiều vùng kinh tế trên các vùng nền yếu

Có nhiều biện pháp gia cố nền yếu, trong đó có biện pháp dùng cọc XMĐ, đã được sử dụng ở Việt Nam

Đã có nhiều nghiên cứu về bản thân cọc XMĐ, nhưng còn ít nghiên cứu về máy

và bộ công tác tạo cọc

Việc nghiên cứu về công nghệ và máy thi công cọc XMĐ là cần thiết

CHƯƠNG 2 NGHIÊN CỨU KẾT CẤU, TSCB CỦA BỘ CÔNG TÁC

VÀ CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐÁNH GIÁ VÀ MÔ HÌNH TOÁN LỰA CHỌN MÁY THI CÔNG CỌC XMĐ TRONG ĐIỀU KIỆN VIỆT NAM 2.1 Nghiên c ứu 2 giai đoạn chịu lực của mũi khoan trộn tạo cọc XMĐ

2.1.2 Giai đoạn khoan phá khi gặp nền đất, đá cứng

Hình 2.2 Sơ đồ lực tác dụng lên mũi khoan -trộn

a) Mũi khoan; b) Lực khi khoan xoay; c) Lực khi khoan xoay-đập

Py- lực dọc trục; *Pz - lực cắt; *P –Lực tổng của mũi cắt;* Ry –Phản lực của

nền theo phương đứng; *Rz – phản lực nền theo phương cắt; *R – Hợp lực của

phản lực nền

2.1.3 Giai đoạn khoan trộn

Đây là chức năng thường xuyên của máy thi công cọc XMĐ, ứng với giai đoạn

trộn tạo lỗ và trộn với CKD

Lực tác dụng lên mũi khoan

Một mô hình tính toán do tác giả người Nga: N.G Đombrovski.[26] Mô hình

này đơn giản và cũng đủ chính xác.Theo

đó tính lực cản đào thuần túy chuyển đất mà không có tích đất) là tổng của 2 thành phần (hình 2.7), trong đó:

A-Khi khoan cắt đất theo quĩ đạo cong; B- Khi cắt đất theo quĩ đạo thẳng;

C-Biểu đồ xác định hệ số cản đào;

P  = P  + P  ; (2.9) Trong đó:PR 01 R là lực cản đào tiếp tuyến:

P = k B h; (2.10) Với kR 2 R– hệ số cản đào thuần túy; B và h

là chiều rộng và chiều dầy phoi đất;

Hình 2.7.Sơ đồ lực tác dụng vào lưỡi

cắt mũi khoan (N.G.Dombrovski

[36])

β - Góc sắc (độ); α- Góc sau (độ);

γ- Góc trước (độ); δ- Góc đặt lưỡi (độ); ψ-Hệ số cản đào; PR 01 R–Lực cản tiếp tuyến; PR 02 R–Lực cản pháp tuyến; PR 0 R–Lực cản tổng cộng P02 =ψ.P01;

ψ = 0,1÷0,5 là hệ số (kể đến mức độ cùn hay sắc của lưỡi cắt, trị số nhỏ khi lưỡi còn sắc, trị số lớn khi lưỡi đã bị cùn)

2.2 Nghiên c ứu về các kiểu mũi khoan trộn

Phương pháp xác định thông số kết cấu của mũi khoan trộn

(ứng dụng luật đồng dạng trong kỹ thuật, Vũ Thế Lộc, 1986 [26])

Luật đồng dạng được biểu diễn dưới dạng công thức sau:

Các chỉ số 1 và 2 lần lượt chỉ máy cũ và mới; A- thông số kích thước; G-Thông

số trọng lượng; N- Thông số công suất; q-Thông số thể tích; t – thông số về thời gian làm việc của máy vv

2.3 Các y ếu tố ảnh hưởng đến thông số cơ bản của máy và bộ công tác khi thi công t ạo cọc

*AR R- Năng suất ca (mP

3

P/ca); *vR r R- Tốc độ rút cần khi trộn (m/ph); *d - Đường kính mũi khoan trộn (m); tR ca R - Thời gian một ca (h);KR tg R – H.s sử dụng thời gian (KR tg R = 0,8-0,9); * Điều kiện nền đất, *Chất kết dính * Máy thi công,* Số lần trộn (T) trên một mét chiều dài cọc,* Chi phí khai thác máy và thiết bị,* N-Công suất (kW);* Lựa chọn máy và hệ thống thiết bị đúng sẽ có năng suất cao.*Các yếu tố liên quan đến an toàn, an sinh xã hội, bảo vệ môi trường

2.4 L ựa chọn phương pháp đánh giá

Trên cơ sở mục tiêu của đề tài, sau khi cân nhắc mọi mặt, luận án đề xuất sử dụng các các phương pháp toán học sau đây vào nghiên cứu của mình

Lý thuyết qui hoạch tuyến tinh;

Lý thuyết qui hoạch thực nghiệm;

- Xác định vấn đề cần giải quyết, thu thập dữ liệu;

- Lập mô hình toán học;

- Xây dựng các thuật toán để giải bài toán đã mô hình hoá bằng ngôn ngữ thuận lợi cho việc lập trình cho máy tính

- Tính toán thử và điều chỉnh mô hình nếu cần;

- Áp dụng giải các bài toán thực tế;

*Giải và tìm kết quả theo mục tiêu đề ra

2.5.2 Bài toán lựa chọn các máy thi công cọc XMĐ theo các chỉ tiêu

không đơn vị đo khi có phương án thi công hợp lý (Patern)

U

Trình tự tiến hành đánh giá phương án

*Lựa chọn chỉ tiêu để đưa vào so sánh

*Xác định hướng của các chỉ tiêu và làm cho đồng hướng Khi các chỉ tiêu có

sự ngược hướng thi bằng cách sử dụng số nghịch đảo để biến thành đồng hướng

*Triệt tiêu đơn vị đo: Để so sánh các chỉ tiêu có các thứ nguyên khác nhau, bình thường thì không thể định lượng để so sánh được, nhưng ta sẽ triệt tiêu đơn vị

đo để so sánh, cách làm như sau:

C P

CR ij R: Chỉ số chưa làm mất đơn vị đo của chỉ tiêu i của phương án j

*Xác định tầm quan trọng của mỗi chỉ tiêu qua trọng số (Wi)

Tổng tỷ trọng của tất cả các chỉ tiêu phải là 100% hay bằng 1

*Xác định trị số không đơn vị đo cuối cùng:

2.5.3 Xác định mối tương quan giữa các thông số cơ bản của máy

bằng qui hoạch thực nghiệm

Lý thuyết qui hoạch thực nghiệm tập hợp các tác động của quá trình diễn biến của đối tượng nghiên cứu, gồm các bước:

-Nhận thông tin mô phỏng;

-Tạo ra mô hình toán;

-Xác định các điều kiện hợp lý nhất của quá trình;

Dựa vào đó nhà phân tích có thể dự đoán được các khả năng tốt hơn cho quy trình sản xuất, đem lại hiệu quả kinh tế cao, tốn ít chi phí, thời gian, công sức

Đối tượng của qui hoạch thực nghiệm: Thường là một quá trình hoặc một hiện

tượng nào đó có những tính chất, đặc điểm chưa rõ ràng, cần phải nghiên cứu Người nghiên cứu dù chỉ Ucó một số thông tin tiên nghiệmU, Uhoặc những liệt kê

sơ lược ảnh hưởng tới quá trình vận hành của đối tượng

Nội dung phương pháp quy hoạch thực nghiệm là để trả lời cho câu hỏi:

Ở các mức giá trị nào và sự kết hợp như thế nào giữa các nhân tố thì nên làm ? Trong lý thuyết này thì thực nghiệm nhân tố toàn phần có rất nhiều ưu điểm so với các dạng quy hoạch khác, đó là: - Ước lượng độc lập các hệ số phương trình hồi quy; - Phương sai chính là nhỏ nhất; - Đơn giản xử lý kết quả thực nghiệm

2.5.4 Lựa chọn của luận án

*Nhân tố chính luận án lựa chọn để tính là các thông số cơ bản của máy khoan trộn (MKT) tạo cọc xi măng đất,

*Vấn đề nghiên cứu là: tương quan giữa thông số cơ bản của MKT có sự kết hợp như thế nào là hợp lý, là tốt hơn cho người sử dụng

*Kết quả nhận được là: Công nhân điều khiển máy sẽ thao tác vận hành máy hiệu quả hơn trong quá trình thi công, kỹ sư thiết kế có thể tạo ra các thay đổi trong hệ điều khiển, để kết hợp các thao tác vận hành tốt hơn

U

Lý do luận án chọn: UQui hoạch thực nghiệm bậc 2, dạng B, nhân tố toàn phần

Vì :Trên lý thuyết, có tới 20 dạng qui hoạch khác nhau Một trong những dạng qui hoạch thường được ứng dụng trong kỹ thuật là “qui hoạch bậc 2 dạng B”

Do các nghiên cứu trong và ngoài nước chưa thấy có tài liệu đề cập đến Luận

án này tiến hành vận dụng lý thuyết qui hoạch thực nghiệm bậc 2 dạng B để đề nghị giải quyết 2 vấn đề:

*Xác định mối tương quan giữa thông số cơ bản của máy khoan trộn tạo cọc, nhằm tìm ra cách vận hành tốt hơn cho người sử dụng khi khai thác

*Xác định mối quan hệ giữa độ bền mũi khoan trộn với năng suất và công suất của máy, nhằm tránh các lãng phí không đáng có về công suất và năng suất do tận dụng chỉ tiêu sức bền giới hạn

2.5.5 Kết luận chương 2

Có thể căn cứ vào thực tế sử dụng và luật đồng dạng để khảo sát, lựa chọn các

bộ phận kết cấu mới của mũi khoan

Các yếu tố liên quan đến đến chất lượng cọc bao gồm:

Năng suất thi công;*Điều kiện nền đất tại chỗ;*Chất kết dính;*Máy và thiết bị;

*Biện pháp thi công;*Số lần quét trộn của cánh trộn;*Chi phí khai thác;* Lựa chọn máy đúng đắn,

Luận án đã xác định cách đánh giá hệ thống thiết bị thi công, kết cấu, thông số

cơ bản của bộ công tác máy thi công tạo cọc xi măng đất bằng cách dùng 3 lý thuyết toán học khác nhau: -Lý thuyết qui hoạch tuyến tính;- Lý thuyết qui hoạch thực nghiệm;- Phương pháp Patern

Việc nghiên cứu, lựa chọn xác định kết cấu và các thông số cơ bản của bộ công tác khi thi công trong điều kiện Viêt Nam đòi hỏi phải thực hiện bằng các mô hình toán thích hợp, với sự trợ giúp của máy tính cùng các phần mềm chuyên dụng

CHƯƠNG 3 CÁC TÍNH TOÁN ÁP DỤNG LỰA CHỌN MÁY VÀ CÁC THÔNG S Ố CƠ BẢN CỦA MÁY THI CÔNG CỌC XI MĂNG

B ẰNG MÔ HÌNH QUI HOẠCH TUYẾN TÍNH VÀ LÝ THUYẾT

PATERN

3.1 Mô hình tính toán l ựa chọn tối ưu máy thi công cọc xi măng đất theo

m ục tiêu chi phí khai thác nhỏ nhất và xác định các thông số cơ bản

c ủa bộ công tác phù hợp điều kiện nền đất

3.1.1 Các chỉ tiêu đưa vào tính toán

* CR ij - RChi phí thi công, được xác định theo Bảng Giá, theo TT- 06/2010/BXD của Bộ Xây Dựng và QĐ số 80/QĐ-SXD_31/3/2014 Tp Cần Thơ

* tR ij R -Thời hạn thi công; * TR xrj R-Chất lượng thi công; * Dj-Hoàn thành khối lượng công việc; *AR ij R-Năng suất của máy thi công; * XR ij R-Số lượng máy thi công tối

đa đáp ứng yêu cầu công việc (ẩn số của bài toán)

*TR xri R -Số lần trộn / mét dài của cọc, để đảm bảo chất lượng trộn của cọc Nếu áp dụng công nghệ chỉ trộn khi rút cần lên và xi măng được bơm hết lượng được cấp, thì: TR xi R= ∑ MR xi R (nR xri R/ vR xri R)

*Σ MR x i R- tổng số cánh trộn trên mũi khoan của máy tạo cọc xi măng đất;

*n R xri R –Số vòng quay của cần khi rút cấn; *vR xri R –Tốc độ ấn sâu của cần;

3.1.2 Thông số xuất phát

Mô hình toán được áp dụng cho công trình xây dựng các bể chứa xăng dầu đường kính bồn dầu 40-60 m, tại khu Cái Mép, tỉnh Bà Rịa-Vũng Tàu, năm

2010, với các thông số ban đầu như sau:

Khối lượng thi công: D = 140.000 mP

3

P cọc xi măng đất; Chiều dài cọc nhỏ nhất

H =36 m; Đường kính cọc nhỏ nhất d = 400 mm; Vận tốc khoan xuyên vR x R = 1m/ph; Vận tốc trộn vR r R = 0,7 m/ph;

Các máy đưa vào tính chọn được lấy từ các catalo chào hàng hiện có trên thị trường, số lượng 52 máy, thông số tổng hợp tính toán của mô hình qui hoạch tuyến tính, (xem bảng 3.1 trang 72 của luận án kèm theo)

3.1.3 Mô hình tính toán

Các ký hiệu:

L-Chi phí tính đổi để thi công toàn bộ cọc xi măng đất cho công trình;

XR ij R-Số lượng máy loại i dùng để thi công tạo cọc loại j;

i-Chỉ số biểu thị một loại máy làm cọc xi măng nào đó trên công trình;

j- Chỉ số biểu thị một loại cọc xi măng nào đó trên công trình;

CR ij R-Chi phí ca máy tính đổi của máy i khi làm cọc loại j trên công trình;

DR j R-Khối lượng công việc (Thể tích cọc xi măng đất) cần phải tạo ra của một loại cọc xác định nào đó;

AR ij R-Năng suất của loại máy tạo cọc i khi làm cọc loại j (m3/ ca);

tR ij R-Quĩ thời gian định mức của loại máy i khi làm cọc loại j;

ER ij R-Tập hợp các đặc trưng về khả năng có thể dùng được hay không của máy khoan trộn loại i để tạo cọc loại j;

KCR ij R-Khả năng đáp ứng công việc (không thể hoặc có thể) của loại máy i khi làm loại cọc j;

YR i R- Tập hợp các thông số đặc trưng yêu cầu phải có của cọc, mà thông số kết cấu loại máy i phải đáp ứng;

QR ij R-Số lượng máy tối đa được phép có của loại máy i làm cọc loại j

pR xi R - là áp lực cho phép lên nền đất của máy tạo cọc XMĐ khi thi công (Pa);

vR xri R -Tốc độ rút cần khoan lên trong qua trình trộn (m/ph);

nR xri R-Số vòng quay của cánh trộn trong một phút (v/ph);

MR xi R-Số lần trộn trên một mét dài của cọc (lần);

HR xi R- Chiều sâu của cọc được tạo ra khi thi công (m);

dR xi R-Đường kính lỗ khoan của máy khoan trộn (m)

Còn các trị số: pj, vj, nj, Mj, Hj, dj;là tương ứng như trên, nhưng là nhu cầu tối thiểu đòi hỏi phải có để tạo ra loại cọc cần thiết theo thiết kế

 Ràng buộc lượng máy tối đa:

X ij ≥0 ; ( i= ÷1 m ;j= ÷1 n) (3.18)

XR ij R-Được làm tròn bằng phương pháp thủ công theo yêu cầu kỹ thuật

+ Kết quả đạt được: là các máy hoặc nhóm máy thỏa mãn tối ưu hàm mục tiêu

3.1.3.3 Lưu đồ thuật toán

Aij (m3/ph)

Công

su ất (kw)

S ố lượng Chi phí (đ)

3.1.4 Phân tích kết quả tính toán

a-Việc chọn máy theo chỉ tiêu tổng hợp có chi phí tính đổi nhỏ nhất đã đáp ứng yêu cầu kinh tế của việc thi công cọc xi măng đất

b-Các ràng buộc của mô hình đã đáp ứng nhiệm vụ thi công và xác lập được các thông số kết cấu và thông số cơ bản của máy đã chọn

c-Máy số thứ tự 01 so với máy số thứ tự 12: Máy 12 không được chọn, vì không thích hợp với nhiệm vụ đặt ra (Do công suất lớn, chi phí ca máy cao hơn, tốc độ trộn và năng suất Aij nhỏ hơn)

 Kết quả trên còn cho thấy nếu cứ chọn máy 12 cho nhiệm vụ này, theo cảm tính thì sẽ gây nên lãng phí rất lớn

3.2 Bài toán l ựa chọn các máy thi công cọc xi măng đất khi xét thêm các

ch ỉ tiêu định tính và chỉ tiêu không đơn vị đo khi có phương án thi công h ợp lý (phương pháp Patern)

3.2.1 `Tham số xuất phát và lựa chọn phương án thi công

Công ty thi công cần lựa chọn máy làm cọc XMĐ để cải tạo nền để đặt các bồn chứa xăng dầu trên vùng đất yếu của cảng Cái Mép-Thị Vải, thuộc tỉnh Bà

Bảng 3.1 Kết quả tổng hợp 4 phương án máy làm cọc

Ph

án Trang thiết bị thi công Thời gian thi công (ngày) Chiều sâu cọc max

(m)

Công suất (kW)

Bảng 3.2.So sánh phương án theo phương pháp dùng chỉ tiêu không đơn vị

1 Thời hạn t.công.TR h R (ngày) 122 145 140

2 Năng lực đv thi công -NR l Kém Tốt Tốt

3 Kinh nghiệm điều hành DR h Kém Tốt Tốt

4 Tổ chức mặt bằng-MR b Trung bình Khá Khá

5 An toàn LĐ, bảo vệ MT -AR m Trung bình Tốt Tốt

3.2.2 Lựa chọn các chỉ tiêu thi công theo phương pháp dùng chỉ tiêu

không đơn vị đo (xác định trọng số của các chỉ tiêu theo Warkentin)

phương án thi công

CHƯƠNG 4 TÍNH TOÁN TƯƠNG QUAN GIỮA CÁC THÔNG SỐ

CƠ BẢN CỦA MÁY KHOAN TRỘN TẠO CỌC BẰNG MÔ HÌNH QUI

HO ẠCH THỰC NGHIỆM

4.1 Mô hình bài toán tăng hiệu quả sử dụng nhờ khai thác mối tương quan gi ữa các thông số cơ bản

4.1.1 Tham số xuất phát

• Các tham số xuất phát của mô hình tính toán này bao gồm:

• n, (v/ph) -Tốc độ quay của cần khoan (thường gọi là vòng quay n);

• PR r R, (N) - Lực ấn của cần khoan vào đất tại thời điểm bắt đầu khoan trộn (hành trình rút cần);

• L, (m) - Chiều dài cần, gián tiếp cho biết chiều dài cọc;

• N, (kW) - Công suất phát ra của máy khoan trộn tạo cọc;

• T, (lần/m) - Số lượt trộn được của mũi khoan trộn trên một mét chiều dài cọc;

• M, (N.m) - Mô men xoắn của máy tạo ra trên cần khoan khi thi công;

• VR r R, (m/ph) - Tốc độ rút cần lên theo phương thẳng đứng;

Sau khảo sát từ nhiều nguồn ta có bảng sau

Bảng 4.1-Khoảng biến thiên của các thông số chính

Thông số quá trình T.số hiện trường

Số vòng quay của cần khoan, (v/ph) 10 -26

Số lần quét của cánh trộn trong 1m sâu, T(lần/m) 150 - 270

Mô men xoắn trên cần M(N.m) 800 - 3000

Tốc độ khoan khi rút cần lên VR r R, (m/ph) 2

4.1.2 Sơ đồ khối tính tương quan các thông số khai thác của mô hình

qui hoạch thực nghiệm

4.1.3 Mối quan hệ giữa số vòng quay (n), lực ấn lúc rút cần (Pr) và

chiều dài cần keley (L)

th

S : phương sai thích hợp 2

S y: Phương sai tái hiện

Bảng 4.3 Số liệu để tính phương sai thích hợp là:

th th th

S S f

Phương sai tái hiện: 2

56.76144

S y=

Số bậc tự do của phương sai tái hiện: 8

Kiểm tra tính thích hợp của phương trình hồi qui:

2

2

64.87022

1.14 56.76144

Kết luận : Phương trình tương thích với thực nghiệm

Hình 4.2 Đồ thị biểu diễn mối quan hệ giữa 3 thông số khai thác L, PR r R, n