Phân tích động lực học máy đóng cọc bàng rung động

NGHIÊN CỨU-TRAOĐỔI PHÂN TÍCH ĐỘNG Lực HỌC MÁY ĐĨNG cọc BÀNG RUNG ĐỘNG DYNAMIC ANALYSIS ON A VIBRATING PILE DRIVER Trương Chí Cơng Khoa Cơ khí, Trường Đại học Cơng nghiệp Hà Nội TÓM TÁT Nghiên cứu ứng dụng ma sát rung máy đóng cọc bang rung động, với mô hĩnh động phi tuyến phát triên, phương pháp Runge-Kutta đưa vào mơ sổ máy đóng cọc rung đê thu đặc tỉnh động phi tuyến hệ thong Ket cho thấy biên độ cọc tăng đên mức độ định tăng biên độ tan so lực kích thích, giảm đến mức độ nhát định giảm biên độ lực kích thích, nhiên khỉ giảm tần số cùa lực kích thích khơng có ánh hương rỗ ràng đến biên độ cọc Sự thay đổi độ cứng hệ ảnh hưởng lớn đến biên độ cọc Từ khoá: Ma sát; Rung động; Cọc; Biên độ; Tần số; Độ cứng ABSTRACT Study on application of vibration friction ofpile driving machine by vibration in single layer ground, with the nonlinear dynamic model developed, the Runge-Kutta method was introduced into the numerical simulation of a vibrating pile driver to obtain the nonlinear dynamic characteristics of the system The results revealed that the amplitude ofpile increases to a certain extent with the amplitude and frequency of exciting force, and it decreases to a certain extent with the decreasing amplitude of exciting force But the decreasing frequency’ of exciting force has no obvious influence on the amplitude ofpile The change in stiffness of the system will affect greatly the amplitude ofpile Keywords: Friction; Vibration; Pile; The amplitude; Frequency; Stiffness nghiên cứu lý thuyết có giá trị triển vọng để l.ĐẶT VẤN ĐÈ Ngày nay, ma sát rung sử dụng rộng rãi thực tế kỹ thuật, lĩnh vực đóng cọc xây dựng Các đặc tính động lực học phi tuyến ma sát rung ứng dụng rộng rãi, người ta chưa nghiên cứu đầy đủ phần kháng ma sát, đóng cọc chống rung hầu hết người ta tập trung vào sức kháng mũi cọc [1-6], bỏ qua đơn giản hóa lực ma sát xung quanh ISSN 2615 - 9910 (bản in), ISSN 2815 - 5505 (online) TẠP CHÍ Cơ KHÍ VIỆT NAM, số 291, tháng năm 2022 cokhivietnam.vn / tapchicokhi.com.vn 71 NGHIÊN cứu-TRAO ĐỔI Trong điều kiện thực tế, chất việc đóng cọc rung khắc phục lực cản ma sát cúa mặt cọc rung động khắc phục lực cản đầu cọc va đập Bài báo tập trung vào phân tích độ sâu hạ cọc ảnh hưởng rung động lực kéo cùa lực ma sát mặt bên cọc chịu tác động đất xung quanh MÔ HÌNH HỆ THĨNG ĐĨNG cọc BẢNG RUNG ĐỘNG Hình sơ đồ cấu tạo máy đóng cọc rung kiểu kích thích thủy lực Trong hình 1, ta thấy bàn kẹp có thiết bị kẹp thủy lực để kẹp cọc nối với bệ máy qua bốn xi lanh thủy lực Đẻ giảm rung động truyền xuống móng cọc, lị xo giảm chấn lắp đặt chân đế Khi máy đóng cọc kiêu kích thích thủy lực làm việc, thiết bị kích thích rung động tích hợp với cọc kết nôi với đất tạo thành hệ thống rung Mô hình học máy đóng cọc rung thể hình Hình Mơ hình học máy đóng cọc Phương trình vi phân chun động mơ sau: MX + CX + KX = sf + F smart (1) Trong đó: m, tổng khối lượng thiết bị kẹp cọc; m tơng khơi lượng bệ đóng cọc; Cị hệ số giảm độ nhớt đât; c, hệ số giảm chấn hệ thống thủy lực; k, hệ so biến dạng độ đàn hồi đất; k? độ cứng lò xo dao động; xp x2 chuyển vị cua thiết bị kẹp cọc bệ máy; F biên độ lực kích Cơ câu kẹp cọc thích; co tần số lực kích thích; f(Xị) lực cản ma sát động cọc KÉT QUẢ MÔ PHỎNG SỐ VÀ PHÂN TÍCH MÁY ĐĨNG cọc Bệ máy Hình Sơ đồ cân tạo máy đóng cọc Xét yếu tố độ xác lời giải tốc độ tính tốn, phương pháp RungeKutta bậc chọn phương pháp số đế giải hệ phương trình ISSN 2615 - 9910 (bản in), ISSN 2815 - 5505 (online) 72 TẠP CHÍ Cơ KHÍ VIỆT NAM, số 291, tháng năm 2022 cokhivietnam.vn / tapchicokhi.com.vn NGHIÊN CỨU-TRAO ĐỔI Các thông số mô sau: khối lượng thiết bị kẹp cọc m, = 50 kg, khối lượng bệ cọc m, = 200 kg; độ cứng lò xo k[ = 1000 kN/m, k2 = 1800 kN/m; hệ số giảm chấn Cj = 600 kN.s/m, c2 = 200 kN.s/m; biên độ cọc khoảng mm, giảm lượng định tân sô biên độ lực kích thích (ừ = 30 Hz, F = 150 kN Đặt: y, =xt; y2 y3 = x2; y4 = x2 (3) Khi đó, cơng thức (1) chuyển thành hệ phương trình vi phân cấp một: (a) F = 200 kN A = y2; >2 = -ỳlFsinừ)t - f(y2) -w2 -ky, -c2(y2 -y4)] (4) ý,=>4; ỈĨ12 Hình tính tốn với thơng số cho ban đầu Có thể thấy trực quan máy đóng cọc làm việc trạng thái ổn định biên độ dao động máy kích thích truyền tới cọc khoảng 16 mm 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 ts (a) F = 200 kN Hình Biên độ cọc theo thời gian rung ứng với lực kích thích khác 3.2 Ảnh hưởng tần số lực kích thích Hĩnh Biên độ cọc theo thời gian rung cùa cọc thiết bị kẹp cọc Giữ nguyên thông số ban đầu, tăng tần số lực kích thủy lực (ừ, lấy 0) = 35 Hz, hình 5a, biên độ cùa cọc khoảng 18 mm Do đó, sau tăng tần số lực kích thích biên độ cọc tăng Ngược lại, lấy co = 25 Hz, hình 5b, qua hình vẽ tháy ràng biên độ cọc khơng có biến đổi 3.1 Ánh hường cũa biên độ lực kích thích Giữ ngun thơng số ban đầu, tăng biên độ lực kích thích thủy lực F, lấy F = 200 kN, hình 4a, biên độ cọc khoảng 20 mm Do đó, tăng biên độ lực kích thích làm tăng biên độ cọc đến mức Ngược lại, lay F = 100 kN, hình 4b, (a) (ũ = 35 Hz ISSN 2615 - 9910 (bản in), ISSN 2815 - 5505 (online) TẠP CHÍ Cơ KHÍ VIỆT NAM, số 291, tháng năm 2022 cokhivietnam.vn / tapchicokhi.com.vn 73 NGHIÊN CỨU-TRAO ĐỔI KÉT LUẬN Khi biên độ lực kích thích thay đổi, với tăng biên độ lực kích thích biên độ cọc tăng đến mức độ định; giảm biên độ lực kích thích thi biên độ cọc giảm mức độ định (b) co = 25 Hz Hình Biên độ cùa cọc theo thời gian rung ứng với tần sổ lực kích thích khác 3.3 Ảnh hưởng độ cứng đất Giữ nguyên thông số ban đầu, lấy k = 1500 kN/m, hình 6a Có thể thấy rang biên độ cọc giảm đáng kê mm Nếu đất mềm lấy k1 = 800 kN/m, hình 6b Có thê thấy biên độ cọc tăng lên đáng kể, trở thành 20 mm Điều đất mềm sức cản cọc nhỏ Khi tần số lực kích thích thay đổi, tần số lực kích thích tăng lên biên độ cọc tăng đến mức độ định; ngược lại, tần số lực kích thích giảm biên độ cọc không thay đôi nhiều Khi độ cứng thay đồi, độ cứng tăng lên biên độ cọc giảm rõ ràng; ngược lại, độ cứng giảm biên độ cọc tăng lên rõ ràng.* Ngày nhận bài: 06/6/2022 Ngày phản biện: 16/6/2022 Tài liệu tham khảo: (a) kI = 1500 kN/rn b) k' = 800 kN/m Hình Biên độ cọc theo thời gian rung ứng với độ cứng đât khác [1], N T An; The theory of bar collision and Applying the wave theory into the pile problem Water Resource University, Hanoi, 1991 [2] N D Cuong, T c Cong, N N Huyen; Determining Oscillating energy ofpiles, Collection of Scientific Works in National Conference of Mechanics, Hanoi, 2002 [3] Cong T.C; Study the coefficient of energy transfer from hammer to pile driven in two layersfoundation base, pile bearing side friction ql#q2 pile bottom encounters constant resistance, Applied Mechanics and Materials Vols 427-429, 2013 [4] , Cong T.C; Study the stress in the pile driven in two layers foundation base, Energy Education Science and Technology Part A: Energy Science and Research 3937-3948, 2014 [5] Smith E.A; Pile driving analysis by the wave equation, Journal the soil mechanics and foundations division, V86, SM.4, Pt.l, 1960 [6] Goble, G G., Scanlan, R H and Tomko, J J.; Dynamic Studies on the Bearing Capacity of Piles, Vol I and II, Case Institute of Technology, 1967 ISSN 2615 - 9910 (bản in), ISSN 2815 - 5505 (online) 74 TẠP CHÍ Cơ KHÍ VIỆT NAM, SỐ 291, tháng năm 2022 cokhivietnam.vn / tapchicokhi.com.vn ... chất việc đóng cọc rung khắc phục lực cản ma sát cúa mặt cọc rung động khắc phục lực cản đầu cọc va đập Bài báo tập trung vào phân tích độ sâu hạ cọc ảnh hưởng rung động lực kéo cùa lực ma sát... cọc bệ máy; F biên độ lực kích Cơ câu kẹp cọc thích; co tần số lực kích thích; f(Xị) lực cản ma sát động cọc KÉT QUẢ MÔ PHỎNG SỐ VÀ PHÂN TÍCH MÁY ĐĨNG cọc Bệ máy Hình Sơ đồ cân tạo máy đóng cọc. .. bị kích thích rung động tích hợp với cọc kết nơi với đất tạo thành hệ thống rung Mơ hình học máy đóng cọc rung thể hình Hình Mơ hình học máy đóng cọc Phương trình vi phân chun động mơ sau: MX +