CÁC THÔNG số hợp lý của THIẾT bị cọc XI MĂNG đất THEO điều KIỆN THI CÔNG

HỘI NGHỊ KHCN TỒN QUỐC VỀ CƠ KHÍ - ĐỘNG LỰC NĂM 2017 Ngày 14 tháng 10 năm 2017 Trường ĐH Bách Khoa – ĐHQG TP HCM CÁC THÔNG SỐ HỢP LÝ CỦA THIẾT BỊ CỌC XI MĂNG ĐẤT THEO ĐIỀU KIỆN THI CÔNG Lê Thanh Đức, Nguyễn Hồng Ngân Trường Đại học Bách Khoa - ĐHQG TP Hồ Chí Minh TĨM TẮT: Hiện tại, hệ thống thiết bị thi công cọc xi măng đất nhập từ nước ngồi, việc lựa chọn thơng số hệ thống để phù hợp với cơng trình Việt Nam điều cần thiết Mục đích nghiên cứu là: tác động yêu cầu đan xen nhau, lựa chọn thông số hợp lý phù hợp với yêu cầu định trước Trong thi cơng cọc có tiêu ta muốn đạt (ví dụ: suất, chất lượng,…) tiêu lại phụ thuộc vào ràng buộc khác (ví dụ: hàm lượng xi măng, thời gian thi cơng,…) Do tính chất phức tạp này, kết hợp với chi phí thi cơng cọc khơng rẻ làm cho q trình kiểm sốt yếu tố trở nên khó khăn Có thể sử dụng cơng cụ toán học, với số liệu giả thiết để đưa quy luật mối liên hệ chúng Từ đạt mục tiêu Bài báo giúp người thi cơng khơng lúng túng lựa chọn tham số để thi cơng Từ khóa: mũi khoan trộn, thiết bị, xi măng – đất I ĐẶT VẤN ĐỀ Công nghệ thi công cọc xi măng-đất phát triển giới từ năm 60 kỷ trước Công nghệ lựa chọn để sử dụng việc gia cố nền, bờ bao, đê điều, tường vây ngăn thấm nước từ vào từ ra, số ứng dụng khác Cọc xi măng-đất (XMĐ) phát triển Bắc Âu Nhật Bản sau ứng dụng rộng rãi nước khác Đối với cơng trình Việt Nam, cơng nghệ áp dụng từ khoảng năm 2000 Theo thống kê giới: - Tính đến năm 2001, khối lượng đất xử lý cọc XMĐ Nhật Bản lên tới 70 triệu m3 (Terashi,2003), hàng năm có khoảng triệu m3, có 1/3 thi cơng ngồi bờ biển (Hiệp hội CDM, Nhật Bản) - Tại Bắc Âu số liệu tính đến năm 2000, có khoảng 1,2 triệu m3 cọc xi măng-vôi thi công (FHWA, 2000) - Tại Trung Quốc,năm 1992 riêng dự án cảng Yantai, gần 60.000 m3 cọc XMĐ xử lý ngồi biển người Trung Quốc thực (Tang,1996) Một vài thống kê sau nói lên phần phát triển mạnh mẽ cọc XMĐ Nhật Bản Hình Khối lượng thi cơng cọc XMĐ tính riêng theo phương pháp DJM Nhật Bản từ 1981-1995 (Okumura,1996) Trang 295 HỘI NGHỊ KHCN TỒN QUỐC VỀ CƠ KHÍ - ĐỘNG LỰC NĂM 2017 Ngày 14 tháng 10 năm 2017 Trường ĐH Bách Khoa – ĐHQG TP HCM Hình a)Khối lượng chất kết dính trộn theo phương pháp DJM sử dụng Nhật Bản thời gian 1992-1996; b) Thể tích đất gia cố cọc xi măng, vôi trộn với đất chỗ Thụy Điển Hình a- Máy trộn trục trộn sâu nơi thi công cầu WD- 2, đường cao tốc 2, a an;b- Máy trộn đường kính 0,8 m (Keller Polska) Do xi măng đất có độ bền cao đất nền, có khả chống nước thấm qua, giá thành thời gian hợp lý mức độ phức tạp cơng nghệ khơng q khó áp dụng ngày rộng rãi thi công đất yếu Việt Nam giới Hình Sơ đồ trình thi công cọc xi măng đất Các máy khoan trộn tạo cọc chọn cần phải đáp ứng đầy đủ tiêu kinh tế kỹ thuật Quá trình trộn tạo cọc trình phức tạp, chưa quan tâm nghiên cứu đầy đủ Việt Nam Trong tiêu ấy, suất Trang 296 trộn cơng suất chi phí, chất lượng trộn tiêu bản, ảnh hưởng tới hiệu thi công Các tiêu liên quan đến hàng loạt thông số, thông số ảnh hưởng tương tác lẫn nhau, thi công người điều khiển HỘI NGHỊ KHCN TỒN QUỐC VỀ CƠ KHÍ - ĐỘNG LỰC NĂM 2017 Ngày 14 tháng 10 năm 2017 Trường ĐH Bách Khoa – ĐHQG TP HCM máy gặp nhiều khó khăn để lựa chọn thơng số Điều dẫn tới hiệu thi công không cao Đây tồn mà báo muốn đưa giải pháp để góp phần giải II NỘI DUNG NGHIÊN CỨU Tác giả tập trung xét riêng trình khoan trộn cách xây dưng mơ hình tốn, có xét đến ảnh hưởng tham số: d – đường kính cọc, cánh trộn; n – số vòng quay trục trộn; Re - hệ số Reynold,  - khối lượng riêng đất trộn; H– chiều dài cọc trộn; M – số cánh trộn; vx - vận tốc xuyên xuống; vl – vận tốc rút lên Các tham số tham số mô tả điều kiện làm việc thiết bị Vấn đề thơng số cần điều chỉnh để phù hợp với mong muốn người vận hành Bài báo diễn đạt mong muốn theo nhóm tiêu nêu (năng suất trộn, cơng suất chi phí chất lượng trộn) Cơng suất Cơng suất máy khoan trộn tạo cọc chia nhiều giai đoạn khác nhau: - Giai đoạn vận hành không tải hệ thống thiết bị - Giai đoạn khoan phá xuống với mục đích làm tơi mềm đất trước trộn tạo cọc, giai đoạn áp dụng lý thuyết đào cắt đất tác giả - Giai đoạn trộn với chất kết dính xi măng q trình rút cần khoan lên, Với : đưa xuống Trong giai đoạn áp dụng phương trình ernoulli: H 2 2.g  const Trong H - Chiều cao cột đất trộn;  - Chiều cao cần khoan, 2.g gọi chiều cao vận tốc Lực cản cần khoan đất tơi tuân theo định luật Newton: P   F 2 2.g  ,( N ) Trong :P- Lực cản khối trộn tác dụng lên cánh trộn,(N);  - Hệ số lực cản, phụ thuộc hình dáng bề mặt cánh trộn, trạng thái tính chất đất; F- Diện tích hình chiếu cánh trộn theo phương vng góc với bán kính (m2);  - Khối lượng riêng hỗn hợp trộn (kg/m3) Để tính phần cơng suất giai đoạn trộn tạo cọc, ta tính phần cơng suất phân tố diện tích cánh khuấy quay q trình trộn, sau: N   dN  dP. dP   H 2  dx   2. n.x Với tốn tổng qt, có số cánh trộn M cánh, vi phân cơng suất tính biểu thức: (2 )3. dN  z..dP  z . n3.H x3.dx M = 2,4,6,… nói chung thường số chẵn Thực tích phân này: r r 0 N   dN  z. .dP  M (2 )3. r4  n3.H Thay H d , vớ ột hệ số kết cấu Nếu đưa tất số vào chung số tổng hợp K, ta thu N  K  n3.d 5. ; Nếu đặt  M  K  ; Thì ta có: N   M n3.d  Trang 297 HỘI NGHỊ KHCN TỒN QUỐC VỀ CƠ KHÍ - ĐỘNG LỰC NĂM 2017 Ngày 14 tháng 10 năm 2017 Trường ĐH Bách Khoa – ĐHQG TP HCM Suy  M  N ; Kết thực n d  nghiệm trình, bỏ qua ảnh hưởng chuẩn Frut, coi  M  EuM chuẩn số Euler; Ở chế độ chảy tầng thích hợp với q trình trộn tạo cọc đất, với số Reynolds ReM < 20, kết nghiên cứu Buche, Rushton, Kafarov (Nguồn: Nguyễn Bin Tr: 209) ta có: EuM  A cơng thức tính cơng suất động Re M cho cặp cánh trộn là: M  N N A  EuM  hay n d  Re M A n d  Re M ); t- thời gian trộn; t V d2 vx, vl - tốc độ xuống lên cần khoan Năng suất trộn tạo cọc: Nếu có q trình phun xi măng cơng tác xuống lên thì: n n v v  T  T2  M      n.M   x l   vx vl   vx vl  Mơ hình tốn Nếu xét riêng trình trộn tạo cọc, hiệu sử dụng máy cao suất (Q) tăng công suất (N) thấp Chính lý này, để đánh giá hiệu làm việc tổng hợp máy trình trộn, tính đến tất thơng số nêu, đưa vào tham số suất riêng (Qr), suất tính cho mộ đơn vị cơng suất Q vx  vl Qr   An3d N  Re M (A = 4,42 – hệ số thực nghiệm) n n T  M     (3)  vx vl  H (m3 H H  vx vl  d vx vl Chất lượng trộn : Trong nhiều tài liệu nghiên cứu tác giả, chất lượng trộn hỗn hợp nói chung xi măng – đất nói riêng phụ thuộc chủ yếu vào số lượt cánh trộn qua chỗ hỗn hợp cần trộn Hình dáng cánh trộn, vị trí lỗ phun xi măng, áp lực phun, hàm lượng xi măng ảnh hưởng đến trình phân tán xi măng đất, qua ảnh hưởng đến q trình trộn Tuy nhiên, thơng số lựa chọn từ ban đầu (dựa liệu quan trắc nền) trước máy đưa vào thi cơng Do vậy, việc kiểm sốt nhân tố khả thi, báo khơng xem xét Số lượt cánh trộn tính sau: Nếu có q trình phun xi măng cơng tác lên thì: 2.Năng suất trộn Nếu gọi thể tích trộn:  d vx vl V = (m3/phút) Q vx  vl t T  T1  M  n  n. M  vl vl Qr lớn tốt Tuy nhiên Qr khơng thể chất lượng trộn Vì cần thêm vào số T Chỉ số T số biết trước thi cơng với yêu cầu cụ thể cọc xi măng đất cơng trường (khả chịu nén, độ bền, tính chống thấm,…) người vận hành máy biết ứng với loại đất có T (chất lượng) cụ thể Điều có nghĩa số T phải giá trị cho trước Xét tất yếu tố tổng hợp trên, báo đề xuất đưa tiêu tổng hợp S định nghĩa công thức (1), (2) Dễ dàng nhận thấy cơng thức (2) cơng thức tổng qt, công thức (1) trường hợp riêng (2) Do vậy, từ trở xét công thức (2) Khi T2 biết trước điều có nghĩa biết ràng buộc thơng số n, M, vx , vl Ví dụ n M T2  300 vx  vl =300 Vấn đề lại tìm vx vl Smax thông qua (Qr )max Trang 298 (3) HỘI NGHỊ KHCN TỒN QUỐC VỀ CƠ KHÍ - ĐỘNG LỰC NĂM 2017 Ngày 14 tháng 10 năm 2017 Trường ĐH Bách Khoa – ĐHQG TP HCM Từ (1) (2) nhận thấy: để tìm Si lớn ảnh hưởng biến toán phức tạp Do cần phải dựa vào máy tính để xử lý Từ mơ hình tốn học trên, tác giả đề xuất sử dụng phần mềm MATLAB (phiên R2016a) để tính tốn   d vx vl v v  Re x l    vx  vl vx  vl n    M     n M  3 v 2( M ) An d  v   M An3 d  l  l   Re   M Si  Qr  Ti   v v   d vx vl  Re x l    n n  vx  vl vx  vl v v   M        n M x l  3 vx vl  vx vl   2( M ) An d    M An d    Re M Trên giới nay, thiết bị thi công   i=1 (1)        i=2 (2)    - Re lớn, tốt cọc xi măng – đất chủ yếu phân thành nhóm - Khi T thay đổi thơng số ràng Để minh họa cho mơ hình tốn trên, tác giả xem xét công nghệ Nhật Bản, với buộc thay đổi theo, dẫn đến người vận hành máy khuyến cáo phải thay đổi thông số kỹ thuật nhập vào đưa kết cho thông số vận hành gần với Bảng giá trị tính tốn trước tốt (ví dụ T = Dựa vào công thức (2) kết 300, nên điều chỉnh thơng số gần có số kết luận sau: với giá trị cho bảng tốt) - d, thấp tốt Bảng Các thông số nhập vào THƠNG SỐ NHẬP VÀO KẾT QUẢ Số vòng quay trục trộn (n) (vòng/phút) 24  64 46 Đường kính (d) (m) 0,8  1,3 0,8 Số lượng cánh trộn (M) 412 Vận tốc xuyên xuống (vx) (m/phút) 12 Vận tốc rút lên (vy) (m/phút) 0,7  0,9 0,888 Khối lượng riêng đất ()(kg/m )  1800  1800 Hệ số Reynold (ứng với chế độ chảy tầng) < 20 20 Số lượng vòng quay cánh – cho mét (T) (T  274) 300 300 III KẾT LUẬN ằng việc phân tách thơng số điều khiển thành nhóm tiêu suất riêng Qr (đại diện cho chi phí); số lượt cánh trộn T qua (đại diện cho chất lượng) đồng thời mơ hình hóa chúng phương trình tốn học qua tìm thơng số hợp lý ài báo giải việc vận hành máy cho thích hợp Nhưng cần phải nói thêm rằng: chất lượng đảm bảo (T), suất riêng (Qr) lớn tốt Tuy nhiên, chi phí chất lượng không liên quan đến thân máy mà liên quan đến nhiều vấn đề rộng lớn khác Ví dụ: tay nghề Trang 299 HỘI NGHỊ KHCN TỒN QUỐC VỀ CƠ KHÍ - ĐỘNG LỰC NĂM 2017 Ngày 14 tháng 10 năm 2017 Trường ĐH Bách Khoa – ĐHQG TP HCM vận hành máy, lực thi công nhà thầu (số lượng, chủng loại máy nhà thầu có), chi phí bảo dưỡng, vận hành, mơi trường thi công (ở rừng, nơi xa xôi hẻo lánh, đồng bằng, địa chất, TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] N Bin, Các q trình thiết bị cơng nghệ hóa chất thực phẩm, T 2: Nhà xuất Khoa học Kỹ thuật., 2009 [2] V A A.-O Edward L Paul, Suzanne M Kresta, Handbook of industrial mixing science and practice: a John Wiley & Sons, Inc., 2004 địa tầng, ) Chính lý nên cần nghiên cứu thêm vấn đề để đưa khuyến cáo tối ưu cho người sử dụng, kỹ sư thiết kế, nhà thầu,… [3] S Larsson, Mixing Processes for Ground Improvement by Deep Mixing: Svensk Djupstabilisering, Swedish Deep Stabilization Research, Centre, 2003 BASING ON WORKING CONDITIONS, CHOOSING REASONABLE PARAMETER OF SOL – CEMENT COLUMN WORKING EQUIPMENTS ABSTRACT: System of soil – cement column working equipment is imported from other countries Choosing parameter system which is suitable with Vietnam building is necessity The target of this study is: under influence of mixed requirements, it is possible to choose a set of parameter reasonable with predetermined requirements In working, some targets (i.e capacity, quality,…) are wanted, but they depend on other ties (i.e cement content, time of working,…) Because of the complex combined high expenditure of the working, the parameter control is difficult By using math theories, with assumed data, law of parameter relation can be drawn Basing on law, the targets are attainable The article also helps the controllers not to be confused when they choose parameters for working Keywords: drilled – mixer, equipment system, soil – cement Trang 300 ... vl – vận tốc rút lên Các tham số tham số mô tả điều kiện làm việc thi t bị Vấn đề thơng số cần điều chỉnh để phù hợp với mong muốn người vận hành Bài báo diễn đạt mong muốn theo nhóm tiêu nêu (năng... Trang 296 trộn công suất chi phí, chất lượng trộn tiêu bản, ảnh hưởng tới hiệu thi công Các tiêu liên quan đến hàng loạt thông số, thông số ảnh hưởng tương tác lẫn nhau, thi công người điều khiển... số T Chỉ số T số biết trước thi cơng với u cầu cụ thể cọc xi măng đất công trường (khả chịu nén, độ bền, tính chống thấm,…) người vận hành máy biết ứng với loại đất có T (chất lượng) cụ thể Điều