Nghiên cứu xác định các thông số kỹ thuật hợp lý của bộ công tác máy khoan cọc nhồi kiểu gầu xoay do việt nam chế tạo

TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI ---o0o--- NGUYỄN THÙY CHI NGHIÊN CỨU XÁC ĐỊNH CÁC THÔNG SỐ KỸ THUẬT HỢP LÝ CỦA BỘ CÔNG TÁC MÁY KHOAN CỌC NHỒI KIỂU GẦU XOAY DO VIỆT NAM CHẾ TẠO Ngàn

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI

-o0o -

NGUYỄN THÙY CHI

NGHIÊN CỨU XÁC ĐỊNH CÁC THÔNG SỐ KỸ THUẬT HỢP LÝ CỦA BỘ CÔNG TÁC MÁY KHOAN CỌC NHỒI KIỂU GẦU XOAY

DO VIỆT NAM CHẾ TẠO

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT

HÀ NỘI - 2021

TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI

-o0o -

NGUYỄN THÙY CHI

NGHIÊN CỨU XÁC ĐỊNH CÁC THÔNG SỐ KỸ THUẬT HỢP LÝ CỦA BỘ CÔNG TÁC MÁY KHOAN CỌC NHỒI KIỂU GẦU XOAY

DO VIỆT NAM CHẾ TẠO

Ngành: KỸ THUẬT CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC

Mã số: 9520116

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:

1: PGS TS NGND NGUYỄN ĐĂNG ĐIỆM 2: TS NGUYỄN ĐÌNH TỨ

HÀ NỘI - 2021

án của mình

Tôi xin trân trọng cảm ơn Lãnh đạo Trường Đại học Giao thông Vận tải, phòng Đào tạo Sau Đại học, Khoa Cơ khí, Phòng Khoa học công nghệ, Trung tâm Khoa học Công nghệ Giao thông Vận tải cùng các phòng ban chức năng trong Nhà trường đã tạo điều kiện vật chất giúp đỡ tôi trong quá trình nghiên cứu để đạt được kết quả mong muốn

Xin trân trọng cảm ơn tới Lãnh đạo Công ty Cổ phần Thương mại và Xây lắp Hợp Thành và Công ty TNHH Cơ khí Việt Sinh đã tạo mọi điều kiện thuận lợi giúp tôi thực hiện đo đạc thực nghiệm thiết bị tại hiện trường để hoàn thành luận án này Cuối cùng, tôi xin cảm ơn gia đình tôi đã động viên, hỗ trợ tôi rất nhiều về mặt thời gian, ủng hộ về vật chất lẫn tinh thần để giúp tôi hoàn thành luận án này

NGUYỄN THÙY CHI

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan luận án tiến sĩ “ Nghiên cứu xác định các thông số kỹ

thuật hợp lý của bộ công tác máy khoan cọc nhồi kiểu gầu xoay do Việt nam chế tạo” là công trình nghiên cứu của riêng tôi Các số liệu và tài liệu trong luận án là

trung thực và chưa được công bố trong bất kỳ công trình nghiên cứu nào Tất cả những nội dung tham khảo và kế thừa đều được trích dẫn và tham chiếu đầy đủ

Tác giả luận án

NGUYỄN THÙY CHI

MỤC LỤC

LỜI CẢM ƠN i

LỜI CAM ĐOAN ii

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT TRONG LUẬN ÁN xi

DANH MỤC CÁC BẢNG xii

DANH MỤC HÌNH VẼ, ẢNH xiv

MỞ ĐẦU 1

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 7

1.1 Giới thiệu về công nghệ thi công cọc khoan nhồi và máy khoan cọc nhồi 7 1.1.1 Giới thiệu về địa chất ở vùng Đồng bằng Bắc Bộ 7

1.1.2 Giới thiệu về công nghệ thi công cọc khoan nhồi 9

1.1.3 Giới thiệu về thiết bị thi công cọc khoan nhồi 11

1.2 Tổng quan các công trình đã nghiên cứu trong và ngoài nước liên quan đến luận án 22

1.2.1 Tổng quan các công trình nghiên cứu về động lực học của máy khoan cọc nhồi 22

1.2.2 Tổng quan các công trình nghiên cứu về phân tích, tối ưu hoá kết cấu của máy khoan cọc nhồi 25

1.2.3 Tổng quan các công trình nghiên cứu về thiết kế, chế tạo máy khoan cọc nhồi tại Việt Nam 35

CHƯƠNG 2 NGHIÊN CỨU ĐỘNG LỰC HỌC HỆ THỐNG TRUYỀN ĐỘNG THỦY LỰC CỦA BỘ CÔNG TÁC MÁY KHOAN CỌC NHỒI KIỂU GẦU XOAY DO VIỆT NAM CHẾ TẠO 40

2.1 Đặt vấn đề 40

2.2 Nghiên cứu động lực học hệ thống truyền động thủy lực dẫn động bộ công tác của máy khoan cọc nhồi 40

2.2.1 Nghiên cứu động lực học hệ thống truyền động thuỷ lực dẫn động động cơ thuỷ lực quay mâm khoan 42

2.2.2 Nghiên cứu động lực học hệ thống truyền động thuỷ lực ép mâm khoan 54

2.3 Khảo sát các yếu tố ảnh hưởng đến đặc trưng động lực học hệ thống

truyền động thủy lực của máy khoan cọc nhồi 63

2.3.1 Khảo sát ảnh hưởng của các tầng địa chất đến các thông số động lực học của hệ thống truyền động thủy lực dẫn động mâm khoan 63

2.3.2 Khảo sát ảnh hưởng của các thông số kết cấu đến các thông số động lực học của hệ thống truyền động thủy lực dẫn động mâm khoan 66

2.3.3 Khảo sát các thông số ảnh hưởng đến các thông số động lực học của xi lanh thủy lực ép mâm khoan 70

Kết luận Chương 2 73

CHƯƠNG 3 NGHIÊN CỨU XÁC ĐỊNH CÁC THÔNG SỐ KẾT CẤU VÀ THÔNG SỐ LÀM VIỆC HỢP LÝ CỦA GẦU KHOAN 75

3.1 Tổng quan về bài toán tối ưu trong kỹ thuật 75

3.1.1 Khái niệm về bài toán thiết kế tối ưu kết cấu 75

3.1.2 Phương pháp giải bài toán phi tuyến hiện nay theo thuật toán tiến hóa vi phân (DE) 76

3.2 Thiết lập và giải bài toán xác định các thông số kết cấu và thông số làm việc hợp lý của gầu khoan theo hàm chi phí năng lượng riêng 77

3.2.1 Phân tích mối quan hệ giữa các thông số kết cấu và thông số làm việc đến chi phí năng lượng riêng và năng suất 77

3.2.2 Giải bài toán xác định thông số kết cấu và làm việc hợp lý của gầu khoan theo hàm chi phí năng lượng riêng E 92

3.2.3 Khảo sát các thông số kết cấu và thông số làm việc của gầu 106

Kết luận Chương 3 110

CHƯƠNG 4 NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM XÁC ĐỊNH CÁC THÔNG SỐ ĐỘNG LỰC HỌC CỦA MÁY KHOAN CỌC NHỒI HITACHI CX500 111

4.1 Mục đích đo đạc thực nghiệm 111

4.2 Các thông số cần đo đạc, thực nghiệm 111

4.3 Trình tự đo đạc thực nghiệm 112

4.4 Lựa chọn đầu đo và thiết bị đo 113

4.4.1 Đầu đo áp suất (cảm biến áp suất) 113

4.4.2 Đầu đo lưu lượng 114

4.4.3 Đầu đo hành trình đi xuống của gầu khoan 115

4.4.4 Thiết bị ghi và xử lý tín hiệu 115

4.5 Đối tượng thực nghiệm 116

4.6 Các bước tiến hành đo đạc 116

4.7 Kết quả đo đạc thực nghiệm và xử lý số liệu 119

4.7.1 Xử lý kết quả đo thực nghiệm 119

4.7.2 Các trường hợp thực nghiệm 120

4.8 So sánh kết quả thực nghiệm với kết quả lý thuyết 125

4.8.1 Các thông số động lực học hệ truyền động thủy lực dẫn động mâm khoan 125

4.8.2 Các thông số động lực học hệ truyền động thủy lực xi lanh ép mâm khoan 127

Kết luận Chương 4 129

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 130

DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH CỦA TÁC GIẢ ĐÃ CÔNG BỐ 132

TÀI LIỆU THAM KHẢO 133

nb1 Số vòng quay của trục bơm thủy lực 1 vòng/s

nb2 Số vòng quay của trục bơm thủy lực 2 vòng/s

nd1 Số vòng quay của trục động cơ thủy lực 1 vòng/s

nd2 Số vòng quay của trục động cơ thủy lực 2 vòng/s

Vb1 Lưu lượng riêng của bơm thủy lực 1 m3/vòng

Vb2 Lưu lượng riêng của bơm thủy lực 2 m3/vòng

Vd1 Lưu lượng riêng của động cơ thủy lực 1 m3/vòng

Vd2 Lưu lượng riêng của động cơ thủy lực 2 m3/vòng

[nb1] Tốc độ quay danh nghĩa của bơm thủy lực 1 vòng/s

[nb2] Tốc độ quay danh nghĩa của bơm thủy lực 2 vòng/s

[nd1] Tốc độ quay danh nghĩa của động cơ thủy lực 1 vòng/s

[nd2] Tốc độ quay danh nghĩa của động cơ thủy lực 2 vòng/s

[pb1] Áp suất danh nghĩa của bơm thủy lực 1 Pa

[pb2] Áp suất danh nghĩa của bơm thủy lực 2 Pa [pd1] Áp suất danh nghĩa của động cơ thủy lực 1 Pa [pd2] Áp suất danh nghĩa của động cơ thủy lực 2 Pa

pa Áp suất của dầu công tác trong nhánh cao áp Pa

pt Áp suất của dầu công tác trong nhánh thấp áp Pa

ηb1 Hiệu suất thể tích của bơm thủy lực 1

ηb2 Hiệu suất thể tích của bơm thủy lực 2

ηd1 Hiệu suất thể tích của động cơ thủy lực 1

ηd2 Hiệu suất thể tích của động cơ thủy lực 2

c1

 Hiệu suất cơ khí của động cơ thủy lực 1

h1

η Hiệu suất cơ khí của bộ truyền động

rb1 Hệ số tổn thất lưu lượng ở bơm thủy lực 1 (m3/s)/Pa

rb2 Hệ số tổn thất lưu lượng ở bơm thủy lực 2 (m3/s)/Pa

rd1 Hệ số tổn thất lưu lượng ở động cơ thủy lực 1 (m3/s)/Pa

rd2 Hệ số tổn thất lưu lượng ở động cơ thủy lực 2 (m3/s)/Pa

Qat Lưu lượng dầu qua van an toàn m3/s

Qb Lưu lượng tổng của 2 bơm thủy lực m3/s

Qb1 Lưu lượng của bơm số 1 m3/s

Qb2 Lưu lượng của bơm số 2 m3/s

Qd Lưu lượng tổng cần thiết qua 2 động cơ m3/s

Qd1 Lưu lượng của động cơ số 1 m3/s

Qd2 Lưu lượng của động cơ số 2 m3/s

Qrb Lưu lượng rò rỉ của bơm thủy lực m3/s

pat Áp suất cài đặt của van an toàn Pa

kat Hệ số lưu lượng qua van an toàn m3/s

Ea Biến dạng đàn hồi trong đường ống cao áp m3/Pa

Vc Thể tích dầu công tác trong đường ống dẫn bằng cao su m3

Vkl Thể tích dầu công tác trong đường ống dẫn bằng kim loại m3

Ec Mô đun biến dạng đàn hồi của đường ống dẫn bằng cao su Pa

Ekl Mô đun biến dạng đàn hồi của đường ống dẫn bằng kim loại Pa

dc Đường kính trong của ống dẫn dầu bằng cao su m

lc Chiều dài đường ống dẫn dầu bằng cao su m

dkl Đường kính trong của ống dẫn dầu bằng kim loại m

lkl Chiều dài đường ống dẫn dầu bằng kim loại m

δc Chiều dày của đường ống cao su m

δkl Chiều dày của đường ống kim loại m

Elq Mô đun đàn hồi của dầu công tác MPa

Qrd Lưu lượng rò rỉ của động cơ thủy lực m3/s

Mqt1 Mô men quán tính của động cơ thủy lực 1 N.m

Mqt2 Mô men quán tính của động cơ thủy lực 2 N.m

Mc Mô men cản chuyển động quay trên gầu khoan N.m

Mc1 Mô men cản chuyển động quay trên trục của động cơ thủy lực 1 N.m

Mc2 Mô men cản chuyển động quay trên trục của động cơ thủy lực 2 N.m

Jm1 Mô men quán tính quy dẫn của hệ lên trục của động cơ thủy lực 1 kg.m2

Md1 Mô men dẫn động trên trục động cơ thủy lực 1 N.m

Mms1 Mô men ma sát nhớt trong hệ thống thủy lực N.m

fn Hệ số ma sát nhớt

Vb Lưu lượng riêng của bơm số 3 m3/vòng

Qxl Lưu lượng tiêu thụ của xi lanh m3/s

A1 Diện tích tiết diện khoang cao áp của xi lanh ép m2

vxl Vận tốc dịch chuyển của xi lanh ép cọc m/s

Qc Lưu lượng chất lỏng làm biến dạng hệ thống m3/s

mqd Khối lượng quy dẫn về đỉnh piston kg

mben Khối lượng của Bentonite kg

D Đường kính trong của xi lanh thuỷ lực ép mâm khoan mm

d Đường kính cán piston ép mâm khoan mm

H Hành trình xi lanh thuỷ lực ép mâm khoan mm

Fc Tổng lực cản quy dẫn về cán xi lanh trong quá trình làm việc N

E Năng lượng riêng trong một chu kỳ làm việc của máy kWh/m3

Q Năng suất của máy khoan cọc nhồi m3/h

Q0 Năng suất yêu cầu đặt ra cho MKCN m3/h

N Tổng công suất chi phí cho một chu kỳ làm việc của máy kW

Vđ Thể tích khối đất đào được sau 1 chu kỳ làm việc m3

Tck Thời gian 1 chu kỳ làm việc s

T1 Thời gian cắt và tích đất đầy gầu s

T2 Thời gian kéo gầu lên khỏi hố khoan s

T3 Thời gian quay gầu đến nơi cần đổ s

T4 Thời gian xả đất khỏi gầu s

Thời gian quay gầu về hố khoan và hạ gầu xuống đáy hố

ω Vận tốc góc của gầu khoan rad/s

N1 Công suất cắt và tích đất đầy gầu kW

N2 Công suất kéo gầu lên khỏi hố khoan kW

N3 Công suất quay gầu chứa đất từ hố khoan đến nơi đổ kW

N4 Công suất quay gầu không trở về kW

N5 Công suất của cặp xi lanh ép mâm khoan kW

M1 Mô men cản cắt thuần túy do hệ lưỡi cắt ở đáy gầu sinh ra Nm

M2 Mô men cản do quá trình tích đất vào gầu Nm

M6 Mô men cản do ma sát trong cụm ổ đỡ mâm khoan Nm

K Hệ số cản đào thuần túy phụ thuộc vào cấp đất N/m2

φ Góc ma sát giữa răng gầu với nền đất Độ

g Gia tốc trọng trường m/s2

C1 Chiều rộng quy kết bản khuấy m

R1 Cánh tay đòn của mỗi lưỡi cắt m

P01 Lực cắt tiếp tuyến của 2 lưỡi cắt mở rộng hố khoan N

V Lực dọc trục tác dụng lên ổ bi (lực theo phương đứng) N

vK Vận tốc kéo gầu lên khỏi hố khoan (do cáp nâng thực hiện) m/s

PK Lực kéo bộ công tác lên khỏi hố khoan N

Mq Tổng mômen cản quay của máy N.m

ωq Vận tốc góc khi quay máy rad/s

Mb Mô men kháng ở mặt bên của gầu N.m

Mt Mô men kháng ở mặt trên của gầu N.m

Md Mô men kháng ở mặt dưới của gầu N.m

i Số cá thể trong một thế hệ

j Số biến độc lập

Uj Giá trị biên lớn nhất và nhỏ nhất của biến j

Lj Giá trị biên lớn nhất và nhỏ nhất của biến j

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT TRONG LUẬN ÁN

NCS Nghiên cứu sinh ĐLH Động lực học TĐTL Truyền động thủy lực PTCĐ Phương trình chuyển động MKCN Máy khoan cọc nhồi

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 1.1 Hệ số cản đào thuần túy theo chiều sâu cọc ứng với tầng địa chất tại công

trình thi công dự án đường Vành đai 2 đoạn Vĩnh Tuy-Minh Khai 9

Bảng 1.2 Một số công trình tiêu biểu ở Việt Nam đã ứng dụng cọc khoan nhồi để gia cố nền móng trong vòng 30 năm trở lại đây 11

Bảng 1.3 Một số loại thiết bị dùng để thi công cọc khoan nhồi đã có ở Việt Nam [47], [52], [53] 12

Bảng 1.4 Thông số kỹ thuật của MKCN kiểu gầu xoay lắp trên cần trục bánh xích Hitachi CX500 [51] 16

Bảng 1.5 Các thông số kỹ thuật của máy cơ sở CX500 17

Bảng 1.6 Bảng thông số một số loại gầu xoay tiêu chuẩn [55] 19

Bảng 1.7 Các thông số cơ bản của thanh kelly đã tính toán thiết kế 37

Bảng 2.1 Bảng các thông số chạy chương trình mô phỏng của động cơ thủy lực 1 quay mâm khoan 50

Bảng 2.2 Bảng các thông số chạy chương trình mô phỏng của xi lanh thủy lực ép mâm khoan 59

Bảng 2.3 Giá trị thay đổi của đường kính xi lanh ép mâm khoan D 70

Bảng 2.4 Khảo sát lực cản tác dụng vào xi lanh ép 70

Bảng 3.1 Các thông số của nền đất thi công 94

Bảng 3.2 Các thông số kết cấu của gầu khoan 94

Bảng 3.3 Các thông số làm việc của gầu khoan 95

Bảng 3.4 Các thông số tính toán khác 95

Bảng 3.5 Bảng tổng hợp kết quả tính toán các thông số kết cấu và làm việc của gầu khoan trên máy khoan cọc nhồi theo chi phí năng lượng riêng E nhỏ nhất với đường kính lỗ Dl= 1500 (mm) và K= 60000 (N/m2) của thế hệ thứ nhất 102

Bảng 3.6 Bảng tổng hợp kết quả tính toán các thông số kết cấu và làm việc của gầu khoan trên máy khoan cọc nhồi theo chi phí năng lượng riêng E nhỏ nhất với đường kính lỗ Dl= 1500 (mm) và K= 60000 (N/m2) của 50 thế hệ 104

Bảng 3.7 Các thông số của lỗ và gầu khoan tiêu chuẩn [55] 106

Bảng 3.8 Bảng các thông số hợp lý của gầu phụ thuộc vào đường kính lỗ Dl xét cho cấp đất III (K=60000 N/m2) 107

Bảng 3.9 Bảng tổng hợp các thông số của nền đất [24] 107 Bảng 3.10 Bảng tổng hợp các thông số hợp lý của gầu theo cấp đất K, xét cho đường

kính lỗ khoan Dl= 1500 mm 108 Bảng 3.11 Bảng tổng hợp giá trị vận tốc góc ω của gầu theo tính chất cơ lý của nền108 Bảng 4.1 Thông số đầu đo lưu lượng R5S7HK75 114

Bảng 4.2 Thông số đầu đo dịch chuyển HengStler 115

Bảng 4.3 Bảng giá trị các thông số đo ứng với các tầng địa chất khác nhau 122 Bảng 4.4 Hệ số áp suất động dầu thủy lực cung cấp cho động cơ dẫn động mâm

khoan trong quá trình khoan cọc 126 Bảng 4.5 Hệ số áp suất động của xi lanh ép mâm khoan 127

DANH MỤC HÌNH VẼ, ẢNH

Hình 1.1 Sơ đồ quy trình công nghệ thi công cọc khoan nhồi 10

Hình 1.2 Sơ đồ cấu tạo máy khoan cọc nhồi kiểu gầu xoay lắp trên cần trục bánh xích Hitachi CX500 15

Hình 1.3 Sơ đồ cấu tạo của máy cơ sở CX500 17

Hình 1.4 Cấu tạo gầu xoay của máy khoan cọc nhồi 20

Hình 1.5 Sơ đồ truyền động cho mâm khoan của máy 21

Hình 1.6 Mô hình động lực học của hệ vành dẫn hướng - đất 22

Hình 1.7 Hệ thống giá dẫn hướng của MKCN kiểu gầu xoay 23

Hình 1.8 Sơ đồ phân tích chuyển động giá dẫn hướng bộ công tác của MKCN kiểu gầu xoay 23

Hình 1.9 Sơ đồ mạch thuỷ lực của xi lanh điều chỉnh độ nghiêng giá dẫn hướng 24

Hình 1.10 Sơ đồ khối của chương trình Matlab Simulink 24

Hình 1.11 Quá trình thay đổi lực trên cán piston của xi lanh thuỷ lực điều chỉnh độ nghiêng giá dẫn hướng theo thời gian tại các vị trí lắp đặt khác nhau 24

Hình 1.12 Quá trình thay đổi lực ép của khớp bản lề tại điểm F 24

Hình 1.13 Sơ đồ mạch thuỷ lực của 1 loại máy khoan cọc nhồi kiểu gầu xoay (RDR) 25

Hình 1.14 Sơ đồ trạng thái điển hình của máy khoan cọc nhồi 26

Hình 1.15 Hệ TĐTL của hệ thống khoan kiểu gầu lai (hybrid) HDR 26

Hình 1.16 Phân bố ứng suất trên giá dẫn hướng tại trạng thái lực nâng lớn nhất 28

Hình 1.17.Chuyển vị của giá dẫn hướng tại trạng thái lực nâng lớn nhất 28

Hình 1.18 Phân bố ứng suất của giá dẫn hướng ở trạng thái mô men xoắn cực đại 28 Hình 1.19 Chuyển vị của giá dẫn hướng ở trạng thái mô men xoắn cực đại 28

Hình 1.20 Sơ đồ cấu tạo của máy khoan cọc nhồi kiểu gầu xoay 29

Hình 1.21 Lực tác dụng lên cần khoan trong trường hợp bộ tời chính đặt trên sàn máy 29

Hình 1.22 Lực tác dụng lên cần khoan trong trường hợp bộ tời chính gắn với phần dưới của cần 29

Hình 1.23 Biểu đồ lực dọc trục và mô men xuất hiện trên cần khoan của máy khoan cọc nhồi kiểu gầu xoay trong trường hợp bộ tời chính được đặt trên sàn máy 30

Hình 1.24 Biểu đồ lực dọc trục và mô men xoắn xuất hiện trên cần khoan của máy

khoan cọc nhồi kiểu gầu xoay trong trường hợp bộ tời chính được gắn lên

trên phần dưới của cần 30

Hình 1.25 Mô hình khảo sát động học gầu mở rộng đáy 31

Hình 1.26 Mô hình xác định mô men cản do lực cản cắt đất gây ra 31

Hình 1.27 Giao diện xuất kết quả 33

Hình 1.28 Sơ đồ phá vỡ đất đá bằng lưỡi cắt khi khoan xoay 35

Hình 2.1 Sơ đồ mạch thủy lực của máy khoan cọc nhồi lắp trên 41

cần trục Hitachi CX500 41

Hình 2.2 Sơ đồ hệ thống thủy lực dẫn động động cơ quay mâm khoan 43

Hình 2.3 Mô hình động lực học hệ truyền động thủy lực dẫn động động cơ thủy lực quay mâm khoan 44

Hình 2.4 Sơ đồ mô men cản thay đổi theo thời gian ứng với tầng địa chất sét pha màu xám nâu trạng thái dẻo mềm 51

Hình 2.5 Sơ đồ khối của chương trình mô phỏng động cơ thủy lực quay mâm khoan 51

Hình 2.6 Áp suất dầu trong khoang cao áp của động cơ thủy lực dẫn động mâm khoan 52

Hình 2.7 Vận tốc góc của động cơ thủy lực dẫn động mâm khoan 52

Hình 2.8 Tổng công suất của động cơ thủy lực dẫn động mâm khoan 52

Hình 2.9 Tổng lưu lượng dầu cung cấp cho động cơ thủy lực dẫn động mâm khoan 53

Hình 2.10 Số vòng quay của mâm khoan 53

Hình 2.11 Sơ đồ hệ thống truyền động thủy lực của xi lanh ép mâm khoan 54

Hình 2.12 Mô hình nghiên cứu động lực học xi lanh thuỷ lực ép mâm khoan 56

Hình 2.13 Sơ đồ khối chương trình mô phỏng xi lanh thủy lực ép mâm khoan 61

Hình 2.14 Áp suất dầu thủy lực trong xi lanh ép mâm khoan 61

Hình 2.15 Lực ép của xi lanh ép mâm khoan 62

Hình 2.16 Vận tốc của xi lanh ép mâm khoan 62

Hình 2.17 Sơ đồ mô men cản thay đổi theo thời gian ứng với tầng địa chất sét pha màu xám nâu trạng thái dẻo mềm 63

Hình 2.18 Sơ đồ mô men cản thay đổi theo thời gian ứng với tầng địa chất sét pha màu xám nâu trạng thái dẻo cứng 63

Hình 2.19 Sơ đồ mô men cản thay đổi theo thời gian ứng với tầng địa chất sạn sỏi lẫn cát kết cấu rất chặt 64

Hình 2.20 Sơ đồ mô men cản thay đổi theo thời gian ứng với tầng địa chất cuội sỏi

lẫn cát sạn đa màu, đa khoáng, kết cấu rất chặt 64

Hình 2.21 Áp suất dầu trong động cơ dẫn động mâm khoan ứng với các tầng địa chất khác nhau 64

Hình 2.22 Số vòng quay của mâm khoan ứng với các tầng địa chất khác nhau 64

Hình 2.23 Tổng lưu lượng cung cấp cho động cơ thủy lực tương ứng với các tầng địa chất khác nhau 65

Hình 2.24 Tổng công suất động cơ dẫn động mâm khoan ứng với các tầng địa chất khác nhau 65

Hình 2.25 Mô men xoắn trên trục động cơ thủy lực ứng với các tầng địa chất khác nhau 65

Hình 2.26 Áp suất dầu trong động cơ dẫn động mâm khoan ứng với các giá trị biến dạng đàn hồi khác nhau 66

Hình 2.27 Số vòng quay của mâm khoan ứng với các giá trị biến dạng đàn hồi khác nhau 67

Hình 2.28 Tổng lưu lượng cung cấp cho động cơ thủy lực tương ứng với các giá trị biến dạng đàn hồi khác nhau 67

Hình 2.29 Mô men xoắn trên trục động cơ thủy lực ứng với các giá trị biến dạng đàn hồi khác nhau 67

Hình 2.30 Tổng công suất động cơ dẫn động mâm khoan ứng với các giá trị biến dạng đàn hồi khác nhau 68

Hình 2.31 Áp suất dầu trong động cơ mâm khoan ứng với các hiệu suất bơm khác nhau 68

Hình 2.32 Số vòng quay của mâm khoan ứng với các hiệu suất bơm khác nhau 69

Hình 2.34 Mô men xoắn trên trục động cơ thủy lực ứng với các hiệu suất bơm khác nhau 69

Hình 2.35 Tổng công suất động cơ dẫn động mâm khoan ứng với các hiệu suất bơm khác nhau 70

Hình 2.36 Áp suất dầu trong xi lanh ép mâm khoan khi đường kính xi lanh thay đổi 71

Hình 2.37 Lực ép mâm khoan khi đường kính xi lanh thay đổi 71

Hình 2.38 Vận tốc ép mâm khoan khi đường kính xi lanh thay đổi 71

Hình 2.39 Áp suất dầu trong xi lanh ép mâm khoan khi thay đổi lực cản tác dụng vào

xi lanh 72

Hình 2.40 Lực ép mâm khoan khi thay đổi lực cản tác dụng vào xi lanh 72

Hình 3.1 Mô tả kích thước của gầu: Dg và Hg 80

Hình 3.2 Các thành phần lực và mô men tác dụng lên gầu khoan 81

Hình 3.3 Sơ đồ biểu diễn các góc của lưỡi cắt 82

Hình 3.4 Sơ đồ khi dùng lưỡi cắt mở rộng lỗ khoan 84

Hình 3.5 Sơ đồ phoi đất với chiều dày C 88

Hình 3.6 Sơ đồ các thành phần mô men Mgh 91

Hình 3.7 Thuật toán giải bài toán chi phí năng lượng riêng E theo phương pháp tiến hoá vi phân (DE) 93

Hình 3.8 Đồ thị quan hệ giữa vận tốc góc của gầu vào tính chất cơ lý của nền 109

Hình 4.1 Hình ảnh và thông số kỹ thuật của đầu đo áp suất 520.954S 113

Hình 4.2 Đầu đo lưu lượng R5S7HK75 114

Hình 4.3 Đầu đo dịch chuyển kiểu quay của hãng Coretech và HengStler 115

Hình 4.4 Thiết bị thu thập tín hiệu NI-6009 116

Hình 4.6 Chuẩn bị máy khoan cọc nhồi để thực nghiệm tại địa điểm khoan 117

Hình 4.7 Chuẩn bị thiết bị đo lưu lượng, áp suất, hành trình 117

Hình 4.8 Kết nối thiết bị đo với bộ công tác 118

Hình 4.9 Chạy thử không tải bộ công tác khoan và thiết bị đo 118

Hình 4.10 Thử nghiệm bộ công tác khoan tại Hà Nội 119

Hình 4.11 Lưu lượng và áp suất dầu của động cơ thủy lực ứng với trường hợp đo không tải tốc độ chậm 120

Hình 4.12 Lưu lượng và áp suất dầu của động cơ thủy lực ứng với trường hợp đo không tải tốc độ nhanh 120

Hình 4.13 Lưu lượng và áp suất dầu của động cơ thủy lực ứng với tầng địa chất sét pha màu xám nâu trạng thái dẻo mềm 121

Hình 4.14 Lưu lượng và áp suất dầu của động cơ thủy lực ứng với tầng địa chất sét pha màu xám nâu, xám vàng, xám trắng, trạng thái dẻo cứng 121

Hình 4.15 Lưu lượng và áp suất dầu của động cơ thủy lực ứng với tầng địa chất sạn sỏi lẫn cát kết cấu rất chặt 121

Hình 4.16 Lưu lượng và áp suất dầu của động cơ thủy lực ứng với tầng địa chất cát

hạt nhỏ lẫn sạn sỏi, kết cấu rất chặt 122 Hình 4.17 Lưu lượng và áp suất dầu của động cơ thủy lực ứng với tầng địa chất cuội

sỏi lẫn cát sạn đa màu, đa khoáng, kết cấu rất chặt 122 Hình 4.18 Tổng công suất của 2 động cơ quay mâm khoan và mô men xoắn trên gầu

khoan ứng với tầng địa chất sét pha màu xám nâu trạng thái dẻo mềm 123 Hình 4.19 Tổng công suất của 2 động cơ quay mâm khoan và mô men xoắn trên gầu

khoan ứng với tầng địa chất sét pha màu xám nâu, xám vàng, xám trắng, trạng thái dẻo cứng 124 Hình 4.20 Tổng công suất của 2 động cơ quay mâm khoan và mô men xoắn trên gầu

khoan ứng với tầng địa chất cát hạt nhỏ lẫn sạn sỏi, kết cấu rất chặt 124 Hình 4.21 Tổng công suất 2 động cơ quay mâm khoan và mô men xoắn trên gầu khoan ứng

với tầng địa chất cuội sỏi lẫn cát sạn đa màu, đa khoáng, kết cấu rất chặt 124 Hình 4.22 Áp suất dầu thủy lực trong xi lanh ép mâm khoan 125 Hình 4.23 Dịch chuyển của mâm khoan 125 Hình 4.24 Biểu đồ so sánh áp suất dầu trong nhánh cao áp cung cấp cho động cơ thủy

lực (tầng địa chất sét pha màu xám nâu trạng thái dẻo mềm, độ sâu từ 26m – 32,5m) 126 Hình 4.25 Biểu đồ so sánh tổng lưu lượng dầu cung cấp cho động cơ thủy lực (tầng

địa chất sét pha màu xám nâu trạng thái dẻo mềm, độ sâu từ 26m – 32,5 m) 126 Hình 4.26 Biểu đồ so sánh áp suất dầu trong xi lanh ép mâm khoan 127 Hình 4.27 Biểu đồ so sánh dịch chuyển của mâm khoan 127

MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết của luận án

Giao thông vận tải đường bộ là một bộ phận quan trọng trong kết cấu hạ tầng kinh tế - xã hội, vì vậy cần ưu tiên đầu tư phát triển giao thông vận tải đường bộ để tạo tiền đề, làm động lực phát triển kinh tế - xã hội, phục vụ sự nghiệp công nghiệp hóa, hiện đại hóa, đáp ứng tiến trình hội nhập kinh tế khu vực và quốc tế, góp phần bảo đảm quốc phòng, an ninh Ngày 24/8/2009 Thủ tướng Chính phủ đã ký Quyết định số 1327/QĐ-TTg phê duyệt "Quy hoạch phát triển giao thông vận tải đường bộ Việt Nam đến năm 2020 và định hướng đến năm 2030

Theo qui hoạch trên, trong tương lai nước ta sẽ xây dựng các tuyến quốc lộ với tổng chiều dài khoảng 18.710 km, đường cao tốc khoảng 20 tuyến với tổng chiều dài 8.871 km, đồng thời với việc phát triển mạng lưới đường bộ thì việc xây dựng cầu cũng cần được triển khai Ở phía Bắc, một loạt các dự án cầu lớn đã và đang được đầu tư xây dựng như: Cầu Nhật Tân, cầu Hồng Hà, Mễ Sở, Vĩnh Thịnh, Tứ Liên, Đông Trù, Thạch Cầu, Phù Đổng II, Cầu Đuống mới, Ở phía Nam có các công trình: Cầu Bình Khánh trên sông Nhà Bè, cầu Phước Khánh trên sông Lòng Tòng, cầu Phước Anh trên Sông Thị Vải, cầu Long Thành, cầu Nhơn Trạch, cầu Sài Gòn 2, cầu Phú Thuận Ngoài các cây cầu bắc qua sông còn một loạt cầu vượt được xây dựng trong đô thị Do đó, công việc xử lý nền móng đang được đặc biệt quan tâm nhằm tăng chất lượng cho công trình đồng thời tăng tiến độ thi công, đem lại hiệu quả kinh tế Nhiều loại thiết bị máy móc đang được sử dụng cho việc thi công nền móng nhằm tạo ra các cọc bê tông cốt thép có chiều sâu và đường kính lớn trong nền móng công trình như máy đóng cọc cát, máy ép bấc thấm, máy ép cọc kiểu tĩnh, máy gia cố cọc xi măng đất Tuy nhiên để thi công các móng nhà cao tầng cũng như thi công các mố trụ cầu, người ta sử dụng phổ biến nhất là các thiết bị khoan cọc nhồi Trong số các loại máy khoan cọc nhồi đang sử dụng ở Việt Nam hiện nay, loại máy khoan cọc nhồi lắp trên cần trục bánh xích là loại phổ biến nhất vì các ưu điểm nổi bật của nó như: Tính cơ động và độ ổn định cao, máy cơ sở là cần trục nên nó có tính

đa năng, làm được nhiều công việc khác nhau và có ở hầu hết các đơn vị thi công cầu hoặc nhà cao tầng

Các loại máy khoan cọc nhồi kiểu này hiện nay các đơn vị thi công chủ yếu nhập

từ nước ngoài, với giá thành đắt và khó khăn nhất trong việc “nội địa hóa” sản phẩm

là chế tạo bộ công tác của máy Để giảm bớt khó khăn về tài chính trong việc đầu tư thiết bị, các đơn vị thi công đang tìm cách nghiên cứu, tính toán thiết kế bộ công tác của máy để thay thế thiết bị ngoại nhập Tuy nhiên đây là thiết bị chuyên dùng nên việc đó không phải dễ dàng, đòi hỏi phải có các nghiên cứu cơ bản, có cơ sở khoa học và đặc biệt là các bí quyết công nghệ trong chế tạo sản phẩm cơ khí phù hợp với trình độ công nghệ của nước ta hiện nay

Xuất phát từ yêu cầu của thực tế sản xuất đã nêu ở trên, một số đơn vị đang mong muốn tiến hành hợp tác với các nhà khoa học của các trường Đại học để nghiên cứu, thiết kế, chế tạo bộ công tác máy khoan cọc nhồi nhằm thay thế thiết bị nhập ngoại Nhu cầu cung cấp sản phẩm này cho thị trường Việt Nam với giá thành rẻ chỉ xấp xỉ 1/3 giá thành của thiết bị ngoại nhập là rất lớn Kết quả nghiên cứu của đề tài được áp dụng vào sản xuất sẽ góp phần tận dụng tiềm năng cơ khí trong nước, hạn chế nhập khẩu máy móc, thiết bị, tiết kiệm ngoại tệ, mang lại việc làm cho người lao động và thúc đẩy ngành cơ khí chế tạo máy trong nước phát triển Việc nghiên cứu

cơ sở khoa học xác định các thông số kỹ thuật hợp lý của máy khoan cọc nhồi có bộ công tác do Việt Nam chế tạo góp phần đáp ứng đòi hỏi bức thiết của sản xuất đang

đặt ra ở nước ta hiện nay Vì vậy, đề tài “ Nghiên cứu xác định các thông số kỹ thuật

hợp lý của bộ công tác máy khoan cọc nhồi kiểu gầu xoay do Việt Nam chế tạo”

có tính thời sự và tính cấp thiết cao

2 Mục tiêu của luận án

Nghiên cứu xác định được các thông số kỹ thuật hợp lý (thông số kết cấu và thông số làm việc) của bộ công tác máy khoan cọc nhồi kiểu gầu xoay do Việt Nam chế tạo lắp trên cần trục bánh xích Dựa trên các kết quả nghiên cứu thu được, luận

án khuyến nghị một số thông số kỹ thuật hợp lý của máy trong điều kiện khai thác tại vùng đồng bằng Bắc Bộ

3 Đối tượng nghiên cứu và phạm vi nghiên cứu

a) Đối tượng nghiên cứu:

Bộ công tác máy khoan cọc nhồi kiểu gầu xoay do Việt Nam chế tạo lắp trên cần trục bánh xích Hitachi CX500

b) Phạm vi nghiên cứu:

Nghiên cứu động lực học hệ thống truyền động thủy lực dẫn động bộ công tác

và nghiên cứu xác định các thông số kết cấu và thông số làm việc hợp lý của gầu khoan với đường kính lỗ khoan Ф = 1,5 m, chiều sâu khoan H = 70 m, làm việc tại vùng đồng bằng Bắc Bộ

4 Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu lý thuyết kết hợp với thực nghiệm và khảo sát, cụ thể như sau:

a) Về lý thuyết:

Xây dựng mạch thủy lực của MKCN, thiết lập các hệ phương trình vi phân, giải các phương trình vi phân để xác định các thông số ĐLH của hệ thống truyền động thủy lực của máy

Xây dựng các chương trình mô phỏng hệ thống TĐTL bằng phần mềm Matlab Simulink

Khảo sát ảnh hưởng của các yếu tố địa chất và của điều kiện khai thác đến các thông số ĐLH của hệ thống TĐTL (áp suất, lưu lượng, mômen cản, công suất động

cơ dẫn động ) bằng chương trình mô phỏng đã xây dựng

Giải bài toán tối ưu các thông số kết cấu và thông số làm việc của gầu khoan bằng phương pháp tiến hóa vi phân (DE)

c) Về khảo sát:

Khảo sát các yếu tố ảnh hưởng đến đặc trưng ĐLH, làm cơ sở khuyến nghị các thông số kết cấu và thông số làm việc hợp lý của máy khoan cọc nhồi kiểu gầu xoay khi thi công tại vùng đồng bằng Bắc Bộ

5 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án

a Ý nghĩa khoa học:

Xây dựng mô hình ĐLH động cơ thuỷ lực dẫn động mâm khoan và ĐLH hệ thống xi lanh thủy ép mâm khoan của MKCN kiểu gầu xoay lắp trên cần trục bánh xích tại Việt Nam tương ứng với các trạng thái làm việc của máy

Xây dựng chương trình mô phỏng của MKCN trong các trường hợp làm việc điển hình, khảo sát được các yếu tố ảnh hưởng đến đặc trưng ĐLH của máy và từ đó khuyến nghị các thông số kỹ thuật hợp lý của MKCN theo quan điểm động lực học

Xây dựng và giải bài toán tối ưu theo chỉ tiêu chi phí năng lượng riêng nhỏ nhất

từ đó xác định được các thông số kết cấu và thông số làm việc hợp lý của gầu

b Ý nghĩa thực tiễn:

Các kết quả nghiên cứu của luận án có thể giúp cho các đơn vị chế tạo hay khai thác MKCN tham khảo trong việc thiết kế, chế tạo bộ công tác của máy có chỉ tiêu kinh tế - kỹ thuật cao, đồng thời sử dụng để lựa chọn, vận hành thiết bị với các thông

số làm việc hợp lý

Ngoài ra, các kết quả này có thể được sử dụng làm tài liệu tham khảo có ích phục vụ cho công tác đào tạo, NCKH thuộc lĩnh vực MKCN

6 Điểm mới của luận án

Xây dựng và giải mô hình ĐLH của động cơ thủy lực dẫn động mâm khoan và

xi lanh thủy lực ép mâm khoan trên MKCN kiểu gầu xoay khi thi công tại vùng đồng bằng Bắc Bộ Việt Nam

Xác định các đặc trưng dao động, áp suất động trong các động cơ thủy lực dẫn động mâm khoan và các xi lanh thủy lực ép mâm khoan, hệ số động ứng với các trường hợp làm việc bất lợi của máy

Khảo sát các yếu tố ảnh hưởng đến đặc trưng động lực học hệ thống TĐTL của máy và từ đó khuyến cáo các thông số kỹ thuật hợp lý (thông số kết cấu và thông số làm việc) của máy khoan cọc nhồi kiểu gầu xoay theo quan điểm động lực học

Thiết lập và giải bài toán tối ưu các thông số kết cấu và thông số làm việc của gầu khoan theo chi phí năng lượng riêng nhỏ nhất Từ đó xác định được bộ thông số kết cấu và thông số làm việc hợp lý của gầu phục vụ cho việc tính toán thiết kế gầu khoan của máy khoan cọc nhồi kiểu gầu xoay cũng như việc lựa chọn và vận hành máy trong thực tế

Tạo ra được phương pháp nghiên cứu thực nghiệm xác định một số thông

số kỹ thuật của máy khoan cọc nhồi kiểu gầu xoay với các trường hợp làm việc điển hình

7 Bố cục của luận án

Luận án được sắp xếp theo các nội dung sau:

Mở đầu

Chương 1 Tổng quan về vấn đề nghiên cứu

Nội dung của Chương 1 là trình bày tổng quan về địa chất ở vùng Đồng bằng Bắc Bộ, tính chất cơ lý của đất công tác; giới thiệu chung về công nghệ thi công cọc khoan nhồi, về tình hình sử dụng máy khoan cọc nhồi tại Việt Nam, về máy khoan cọc nhồi khi thi công trên các công trình giao thông Trình bày tổng quan về các kết quả đã nghiên cứu trong và ngoài nước có liên quan đến nội dung của luận án Thông qua việc phân tích các ưu, khuyết điểm, xu hướng nghiên cứu để nêu lên tính cấp thiết của đề tài, hình thành các nhiệm vụ nghiên cứu của luận án

Chương 2 Nghiên cứu động lực học hệ thống truyền động thủy lực của bộ công tác máy khoan cọc nhồi kiểu gầu xoay do Việt Nam chế tạo

Nội dung của Chương 2 là nghiên cứu động lực học hệ thống truyền động thủy lực dẫn động động cơ thủy lực quay mâm khoan và xi lanh thủy lực ép mâm khoan

Từ chương trình mô phỏng hệ thống truyền động thủy lực, tiến hành khảo sát ảnh hưởng của các yếu tố địa chất và điều kiện khai thác đến các thông số động lực học của hệ thống truyền động thủy lực nhằm xác định các thông số động lực học của hệ thống này Các nội dung trình bày ở Chương 2 còn làm cơ sở để nghiên cứu xác định các thông số kỹ thuật hợp lý của gầu khoan ở Chương 3

Chương 3 Nghiên cứu xác định các thông số kết cấu và thông số làm việc hợp lý của gầu khoan

Chương 3 tập trung nghiên cứu xây dựng công thức tính mô men cản và công suất dẫn động gầu khoan phụ thuộc vào các thông số kết cấu và thông số làm việc của gầu, đồng thời khảo sát ảnh hưởng của các thông kết cấu và thông số làm việc của gầu đến mô men cản và công suất dẫn động gầu khoan Trên cơ sở phân tích hình dạng kết cấu gầu khoan và máy cơ sở đã cho trước công suất nguồn động lực, tiến hành giải bài toán tối ưu xác định các thông số kết cấu và thông số làm việc hợp lý của gầu khoan theo hàm mục tiêu chi phí năng lượng riêng nhỏ nhất

Chương 4 Nghiên cứu thực nghiệm

Sau khi đã có các kết quả nghiên cứu lý thuyết của Chương 2 và Chương 3, tiến hành thực nghiệm và đo đạc các thông số làm việc trong các trường hợp hoạt động

của máy Mục đích nghiên cứu thực nghiệm để kiểm chứng phương pháp tính toán,

mô hình thuật toán, công cụ tính toán và xác định một số thông số đầu vào để giải bài toán động lực học hệ thống truyền động thủy lực ở Chương 2

Kết luận và kiến nghị

Trình bày các kết luận chính, các đóng góp mới của luận án và hướng nghiên cứu tiếp theo

Tài liệu tham khảo

Danh mục các công trình đã công bố

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 1.1 Giới thiệu về công nghệ thi công cọc khoan nhồi và máy khoan cọc nhồi

1.1.1 Giới thiệu về địa chất ở vùng Đồng bằng Bắc Bộ

Đồng bằng Bắc Bộ có tầm quan trọng đặc biệt trong nền kinh tế của cả nước Ngoài thủ đô Hà Nội là các thị xã, thành phố của các tỉnh vùng đồng bằng Bắc Bộ, nơi đang diễn ra sự phát triển mạnh mẽ của quá trình đô thị hoá, công nghiệp hoá và hiện đại hoá Đồng bằng có diện tích gần 17.000 km2 với 12 tỉnh thành: Vĩnh Phúc,

Hà Tây, TP Hà Nội, Bắc Ninh, Hưng Yên, Hà Nam, Ninh Bình, Nam Định, Thái Bình, TP Hải Phòng, Quảng Ninh và Hải Dương Địa hình Bắc Bộ đa dạng và phức tạp bao gồm đồi núi, đồng bằng, bờ biển và thềm lục địa Đồng bằng Bắc Bộ có lịch

sử phát triển địa hình và địa chất lâu dài, phong hóa mạnh mẽ, có bề mặt thấp dần, xuôi theo hướng Tây Bắc - Đông Nam được thể hiện thông qua hướng chảy của các dòng sông lớn Khu vực đồng bằng rộng lớn nằm ở lưu vực sông Hồng, có diện tích 14,8 ngàn km² và bằng 4.5% diện tích cả nước Đồng bằng dạng hình tam giác, đỉnh

là Thành phố Việt Trì và cạnh đáy là đường bờ biển phía Đông Đây là đồng bằng châu thổ lớn thứ hai Việt Nam (sau Đồng bằng sông Cửu Long diện tích 40.000 km²)

do sông Hồng và sông Thái Bình bồi đắp Địa chất của vùng đồng bằng Bắc Bộ chủ yếu là loại trầm tích tam giác châu cũ và tam giác châu mới của hai con sông lớn là sông Hồng, sông Thái Bình và các chỉ lưu của chúng Bên cạnh đó, đồng bằng Bắc

Bộ là một đồng bằng được hình thành trên miền võng chồng lên nền uốn nếp làm cho đồng bằng tuy rộng và bằng phẳng nhưng xung quanh còn nhiều đồi núi

Vùng đồng bằng Bắc Bộ với đặc điểm nổi bật là sự phân bố phổ biến của đất yếu với quy luật phân bố phức tạp, thành phần và tính chất đặc biệt Sự có mặt của đất yếu trong cấu trúc nền đất sẽ gây ra các vấn đề mất ổn định nền đất (sụt, trượt), lún và lún kéo dài làm cho công trình bị phá huỷ hoặc ảnh hưởng lớn đến điều kiện làm việc bình thường của các loại công trình Thực tế này đã đòi hỏi phải hình thành

và phát triển các công nghệ thích hợp và tiên tiến để xử lý nền đất yếu thích hợp cho điều kiện của Việt Nam

Nhìn chung, địa chất đồng bằng Bắc Bộ cấu tạo từ hai tầng lớn [27]: Tầng dưới: hạt thô (cuội, sỏi, sạn lẫn cát thô, cát vừa hay nhỏ, cát pha sét); Tầng trên: hạt mịn

(sét, sét pha cát, bùn và than bùn).Việc xác định độ ổn định của công trình trên đất yếu, ngoài các đặc tính của đất nền còn phụ thuộc vào các loại công trình (nhà, đường, cầu, đập, đê, đường sắt ) và quy mô công trình xây dựng trên đó

Một vài chỉ số tiêu biểu của đất yếu được trình bày dưới đây [29], [30]:

- Độ ẩm: 30% hoặc lớn hơn cho đất cát pha

50% hoặc lớn hơn cho đất sét 100% hoặc lớn hơn cho đất hữu cơ

- Chỉ số N của xuyên động tiêu chuẩn 0 - 5

- Sức kháng cắt không thoát nước Su: 20 - 40 kPa

- Nén một trục có nở hông: 50 kPa hoặc nhỏ hơn

- Lực cản riêng trung bình của đất ở một số huyện, tỉnh thuộc miền Bắc:

+ Huyện Bình Giang (Hải Dương): K0 = 73400 N/m2;

+ Huyện Gia Lộc (Hải Dương): K0 = 561000 N/m2;

+ Huyện Đông Hưng (Thái Bình): K0 = 63200 N/m2;

+ Huyện Nghĩa Hưng (Nam Định): K0 = 66800 N/m2;

Do phạm vi nghiên cứu của đề tài luận án là nghiên cứu xác định các thông số

kỹ thuật hợp lý của bộ công tác MKCN do Việt Nam chế tạo với điều kiện thực tế của quá trình khai thác sử dụng máy tại vùng đồng bằng Bắc Bộ nên NCS đã lựa chọn nền địa chất điển hình cho vùng đồng bằng Bắc Bộ là dự án đường Vành dai

2 đoạn Vĩnh Tuy – Minh Khai để thực hiện việc đo đạc thực nghiệm trên máy thực Bản đồ địa chất công trình khi khoan cọc với MKCN CX500 tại công trường thi công

dự án đường Vành đai 2 đoạn Vĩnh Tuy-Minh Khai [54] được trình bày trong Phụ lục 1

Bảng 1.1 Hệ số cản đào thuần túy theo chiều sâu cọc ứng với tầng địa chất tại công trình thi công dự án đường Vành đai 2 đoạn Vĩnh Tuy-Minh Khai

Thứ tự

lớp đất

Độ sâu (m) Mô tả tầng địa chất Hệ số cản đào thuần túy K

(N/m 2 )

1 0 - 2,0 Nền đường, đất đá san lấp, cạt

hạt nhỏ 130000 - 250000

2 2,0 - 4,2 Sét pha mày xám vàng, xám

nâu, trạng thái dẻo cứng 55000 - 130000

3 4,2 - 8,0 Sét pha màu nâu hồng, trạng

thái dẻo mềm 27000 - 60000

4 8,0 - 26,0

Sét pha màu xám nâu, xám vàng, xám trắng, trạng thái dẻo cứng

1.1.2 Giới thiệu về công nghệ thi công cọc khoan nhồi

Cọc khoan nhồi đã được sử dụng trên thế giới từ những năm cuối thế kỷ XIX [14] Qua hơn một thế kỷ, đã có nhiều nghiên cứu được tiến hành để phát triển về công nghệ thi công, các phương pháp phân tích tính toán, thiết bị tạo lỗ cũng như các phương pháp kiểm tra đánh giá chất lượng Với những ưu điểm của nó, cho đến nay cọc khoan nhồi đã được sử dụng phổ biến và là giải pháp tối ưu cho các công trình

có tải trọng lớn như nhà cao tầng và các công trình cầu trên thế giới Kích thước cọc hiện nay cho phép từ  0,60 m đến  3,00 m qua mọi địa tầng với chiều sâu từ 10

m đến 120 m Công nghệ thi công cọc khoan nhồi đường kính lớn đã giải quyết được các vấn đề kỹ thuật móng sâu trong điều kiện địa chất phức tạp

Cọc khoan nhồi bắt đầu được nghiên cứu sử dụng ở Việt Nam từ những

năm 1970 nhưng cọc khoan nhồi đường kính lớn được sử dùng lần đầu tiên vào năm 1993 với 36 cọc đường kính 1,3 m sâu 38 m tại cầu Việt Trì – Phú Thọ Trong khoảng chục năm trở lại đây, cùng với yêu cầu khắt khe về chất lượng công trình thì việc lựa chọn giải pháp sử dụng móng hợp lý là vấn đề được quan tâm, đặc biệt là khi xây dựng các cầu hiện đại, nhà cao tầng và các công trình xây dựng công nghiệp khác Giải pháp sử dụng cọc khoan nhồi mang lại nhiều ưu điểm, có thể đáp ứng nhiều mục tiêu quan trọng trong thi công nền móng, đồng thời có thể

đễ dàng điều chỉnh thiết kế lựa chọn kích thước cọc linh hoạt phù hợp với tải trọng công trình và địa tầng xây dựng nên có thể thay thế cho móng bè, móng hộp, móng khối, móng trụ và cả móng cọc đúc sẵn không đủ năng lượng đóng cọc tới tầng đất ở sâu Vì vậy nền móng các công trình bằng giải pháp cọc khoan nhồi ngày càng được sử dụng rộng rãi, chiếm tỷ lệ lớn trong các công trình giao thông và công trình xây dựng khác có tải trọng tập trung từ vài trăm tấn đến vài nghìn tấn, [49]

Quy trình công nghệ thi công cọc khoan nhồi phổ biến được áp dụng tại Việt Nam hiện nay thể hiện theo sơ đồ Hình 1.1.dưới đây [1], [41]:

Hình 1.1 Sơ đồ quy trình công nghệ thi công cọc khoan nhồi

Bảng 1.2 Một số công trình tiêu biểu ở Việt Nam đã ứng dụng cọc khoan nhồi để

gia cố nền móng trong vòng 30 năm trở lại đây

1 Thuỷ điện Trị An 1989 Liên Xô - Viêt Nam

3 Văn phòng Báo tuổi trẻ 1993 Pháp

4 Nhà máy thức ăn gia súc Đồng Nai 1994 Thái lan

5 Nhà máy giấy Đồng Nai 1994 Trung Quốc

19 Cầu Vượt nút giao Long Biên 2014 Ban Quản lý dự án hạ tầng Tả Ngạn

1.1.3 Giới thiệu về thiết bị thi công cọc khoan nhồi

1.1.3.1 Thực trạng máy khoan cọc nhồi tại Việt Nam

Ở Việt Nam hiện nay, các công ty xây dựng có xu hướng mua thiết bị tạo cọc khoan nhồi của hãng NIPPON SHARYO như: ED4000, ED5000, ED5500; của hãng HITACHI - Nhật Bản như: CX500, KH125, KH150, KH180, KH250, IHI DCH800

và gần đây đã nhập các thiết bị của hãng SOILMEC của Italia như: R825, R725, R930, R1240; của hãng BAUER - CHLB Đức như: GB46, BG25C; máy khoan tuần hoàn của Trung Quốc như: GPS20, GPS15A, QJ250; máy khoan giã đá của Trung Quốc như: CK1500, CK2000, CK2500 [16] Dưới đây là một số thiết bị thi công khoan cọc nhồi đã có mặt tại Việt Nam

Bảng 1.3 Một số loại thiết bị dùng để thi công cọc khoan nhồi đã có ở Việt Nam [47], [52], [53]

TT Tên thiết bị

Hãng và nước sản xuất

Các thông số kỹ thuật cần thiết

Cơ quan quản lý thiết bị Phương pháp

khoan

Độ sâu khoan max(m)

Đường kính (mm)

Thiết bị chuyên dùng

DCCT, DCTV ở phía Bắc và một ít ở phía Nam

6 EO-400 Nhật Khoan gầu xoay 55 800-1500 Cọc khoan nhồi Đồng bộ Tổng công ty XD

TT Tên thiết bị Hãng và nước

sản xuất

Các thông số kỹ thuật cần thiết

Cơ quan quản lý

thiết bị

Phương pháp khoan

Độ sâu khoan max(m)

Đường kính (mm)

Thiết bị chuyên dùng

Đánh giá thiết bị

8 D60KPSE NIPPTON

SHARYO-Nhật

Khoan ruột gà + khoan choòng + khoan gầu (auger)

1.1.3.2 Giới thiệu về đối tượng nghiên cứu: Máy khoan cọc nhồi có bộ công tác kiểu gầu xoay lắp trên cần trục bánh xích Hitachi CX500

Máy khoan cọc nhồi kiểu gầu xoay lắp trên cần trục bánh xích Hitachi CX500

là máy khoan mà trong đó bộ công tác kiểu gầu xoay được lắp trên máy cơ sở là loại cần trục di chuyển bằng bánh xích của hãng Hitachi Đây là máy khoan được Nhật Bản sản xuất vào năm 1995, là một trong số các dòng máy điển hình của Hitachi và được nhiều đơn vị thi công công trình ưu tiên sử dụng Là loại MKCN có cần khoan kiểu thanh kelly, được xem là loại thiết bị có năng suất cao trong tất cả các loại máy khoan, có thể khoan qua các lớp địa chất cứng mà các thiết bị thi công khác không đáp ứng được, từ tầng địa chất mềm cho đến cứng như cát, sét, sỏi vv Tại Việt Nam, với đội ngũ kĩ sư giàu kinh nghiệm đã và đang hợp tác chuyển giao công nghệ hiện đại với nhiều hãng trên thế giới như Nippon Sharyo, Brevini, Rexroth , Công ty TNHH Cơ khí Việt Sinh là đơn vị sản xuất máy khoan hàng đầu sản xuất các loại MKCN khác nhau trong đó có loại CX500

MKCN lắp trên cần trục bánh xích Hitachi CX500 có thể khoan lỗ sâu tới

70 m, đường kính có thể lên đến 2000 mm với tốc độ di chuyển 1,7 km/h Đây

là tốc độ tương đối nhanh hơn so với các loại máy khoan kiểu xoay tròn, vì vậy MKCN Hitachi CX500 có thể đem lại hiệu suất cao trong quá trình thi công Bên cạnh đó, MKCN Hitachi CX500 có kết cấu khá đơn giản, người sử dụng có thể

dễ dàng điều khiển và vận hành trong quá trình làm việc Giá thành thi công bằng MKCN Hitachi CX500 thấp hơn so với các loại máy thi công cọc khoan nhồi khác Tuy giá thành đầu tư ban đầu cho máy khá đắt đỏ nhưng hiệu quả công việc lại tăng lên gấp nhiều lần so với các loại máy khác

Là loại thiết bị có nhiều ưu điểm trong quá trình thi công như: kích thước gọn nhẹ, di chuyển, thay đổi vị trí làm việc nhanh gọn và thuận lợi, ngoài ra còn có thể tự phục vụ nâng hạ các thiết bị và chi tiết vật tư trong quá trình làm việc, không phụ thuộc vào các thiết bị nâng tương đương để phục vụ trong quá trình khoan Do có bộ

di chuyển bằng bánh xích, bề mặt tiếp xúc lớn lên mặt nền nên máy khoan nhồi CX500 có thể di chuyển dễ dàng trên vùng đất yếu, phù hợp với địa hình công trường

có nhiều vật cản gồ ghề, sắc nhọn Với những đặc điểm và lợi thế nêu trên, hiện nay nhu cầu sử dụng máy khoan cọc nhồi có bộ công tác kiểu gầu xoay lắp trên cần trục

bánh xích khá lớn ở Việt Nam Chính vì vậy, NCS lựa chọn loại máy CX500 làm đối tượng nghiên cứu cụ thể của mình

Cấu tạo của máy khoan cọc nhồi Hitachi CX500 như Hình 1.2 dưới đây:

Hình 1.2 Sơ đồ cấu tạo máy khoan cọc nhồi kiểu gầu xoay lắp trên cần trục bánh

xích Hitachi CX500 1- Máy cơ sở CX500; 2- Thanh Kelly; 3- Giá đỡ mâm khoan

4- Mâm khoan; 5- Gầu khoan

Thông số kỹ thuật của MKCN kiểu gầu xoay lắp trên cần trục bánh xích Hitachi CX500 do Việt Nam chế tạo cho trong Bảng 1.4 dưới đây:

Bảng 1.4 Thông số kỹ thuật của MKCN kiểu gầu xoay lắp trên cần trục bánh xích

Hitachi CX500 [51]

Công suất động cơ kW 150

Số vòng quay vòng/phút 1800

Mô men xoắn liên tục kNm 120

Mô men xoắn lớn nhất kNm 140

Đường kính khoan max m 2 Tùy theo điều

kiện địa chất Đường kính ngoài của thanh Kelly mm 406

Lực ép đầu khoan kN 120-160

Hành trình xi lanh ép mm 800

Đường kính gầu khoan mm 1380

a Giới thiệu về máy cơ sở cần trục bánh xích CX500

Các loại cần trục bánh xích được sử dụng làm máy cơ sở cho MKCN thường

có tải trọng nâng từ 30 tấn - 80 tấn, rất ít dùng các loại cần trục có sức nâng đến trên

100 tấn làm máy cơ sở cho MKCN Ở Việt Nam, có rất nhiều công ty thương mại nhập khẩu các loại thiết bị này kể cả mới và đã qua sử dụng của nhiều hãng khác nhau trên thế giới như Hitachi, Liebherr, Kobelco, Sany, vv

Việc lựa chọn loại cần trục nào để làm máy cơ sở cho MKCN được căn cứ vào các thông số chính của bộ công tác khoan như mô men khoan, chiều sâu khoan, đường kính gầu khoan Dựa vào đó sẽ lựa chọn máy cơ sở phù hợp với bộ công tác khoan như: công suất máy cơ sở, sức nâng, tầm với của máy cơ sở

- Cấu tạo của máy cơ sở - cần trục bánh xích CX500 [54]:

Hình 1.3 Sơ đồ cấu tạo của máy cơ sở CX500

Các thông số kỹ thuật của máy cơ sở cho trong Bảng 1.5 dưới đây:

Bảng 1.5 Các thông số kỹ thuật của máy cơ sở CX500

Thông số kỹ thuật cần trục bánh xích HITACHI CX500

Nhà sản xuất động cơ HINO

Loại động cơ 4 kỳ, 6 xy lanh thẳng hàng, turbo tăng áp

Công suất lớn nhất 132,4 KW

Hệ thống thủy lực

Kiểu bơm thủy lực Bơm piston

Áp suất làm việc của hệ thống 30 MPa

b Giới thiệu về bộ công tác

Bộ công tác của MKCN kiểu gầu xoay lắp trên cần trục bánh xích Hitachi CX500 bao gồm: Cụm đầu khoan ED12 (bao gồm: mâm khoan, động cơ dẫn động mâm khoan, hộp giảm tốc hành tinh, xi lanh dẫn tiến mâm khoan…), thanh kelly

và gầu khoan

NCS lựa chọn loại gầu công tác là gầu xoay vì gầu xoay dễ dàng có thể chế tạo được trong nước, phù hợp với điều kiện công nghệ, trình độ tay nghề của công nhân nước ta, ngoài ra có khả năng mua sắm một số chi tiết hay cụm chi tiết khác

mà trong nước chưa chế tạo được Hiện nay có nhiều loại gầu xoay tiêu chuẩn, tùy theo yêu cầu và tính chất công trình mà người ta lựa chọn các loại gầu khoan có đường kính khác nhau Trên Bảng 1.6 thể hiện kích thước của một số loại gầu xoay tiêu chuẩn

Bảng 1.6 Bảng thông số một số loại gầu xoay tiêu chuẩn [55]

Đường kính

thành gầu

D 1 (mm)

Đường kính lỗ khoan D 2

(mm)

Đường kính

mở rộng lỗ khoan D 3

(mm)

Dung tích gầu khoan (m 3 )

Trọnglượng gầu (kG)

Chiều cao H của gầu (mm)

Tại thời điểm khoan, mỗi một điểm trên răng gầu thực hiện chuyển động tịnh tiến theo hướng đi sâu xuống dưới và chuyển động quay Lượng ăn dao dọc của gầu trong quá trình khoan sẽ phụ thuộc vào lực ép gầu từ trên xuống cũng như giới hạn bền nén của đất đá, [34], [36] Mô men từ cần khoan truyền vào gầu sẽ tạo ra chuyển động quay của gầu Khi gầu vừa quay vừa đi xuống, quá trình biến dạng và bị phá

hủy của đất đá diễn ra, chuyển động của phoi đất tách ra trượt trên mặt trên của răng gầu và đi vào gầu được diễn ra liên tục và đồng thời Cấu tạo của gầu xoay như Hình 1.4 dưới đây:

Hình 1.4 Cấu tạo gầu xoay của máy khoan cọc nhồi 1- Mũi định vị; 2- Thành gầu; 3- Tay mở đáy gầu; 4- Đầu trên gầu khoan; 5- Mặt trên gầu khoan; 6- Gân tăng cường; 7- Bản lề đáy gầu; 8- Răng gầu

Bộ truyền cơ khí dẫn động cho gầu quay trong trường hợp này bao gồm: hộp giảm tốc hành tinh một cấp, cặp bánh răng ăn khớp ngoài, các ổ lăn và khớp nối Bộ truyền có nhiệm vụ truyền công suất từ động cơ thuỷ lực đến hộp giảm tốc, cặp bánh răng ăn khớp ngoài, rồi đến thanh kelly làm quay gầu khoan để thực hiện cắt và tích đất Nguyên lý làm việc của bộ truyền động cơ khí cho gầu quay trên Hình 1.5 như sau [15]:

Khi động cơ thuỷ lực (1) hoạt động sẽ truyền chuyển động quay qua hộp giảm tốc hành tinh một cấp (2) làm quay bánh răng chủ động (5) Nhờ sự ăn khớp giữa bánh răng chủ động (5) và vành răng (16) được bắt bu lông với trục truyền sẽ làm cho vành răng cùng trục truyền quay truyền mô men xoắn cho thanh kelly làm quay gầu khoan