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 NSP-II w vào nền đất nhiều lớp tại công trình cầu Đồng Quang, Ba Vì, Hà Nội.
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO 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 iii MỤC LỤC MỞ ĐẦU CHƯƠNG NGHIÊN CỨU TỔNG QUAN VỀ HỆ “BÚA RUNG - CỌC VÁN THÉP - NỀN ĐẤT NHIỀU LỚP” 1.1 NGHIÊN CỨU TỔNG QUAN VỀ HỆ “BÚA RUNG - CỌC VÁN THÉP NỀN ĐẤT NHIỀU LỚP” 1.1.1 Giới thiệu búa rung, cọc ván thép đất nhiều lớp 1.1.2 Các cơng trình nghiên cứu q trình thi cơng cọc búa rung 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 q trình hạ cọc chế tương tác đất với cọc toán hạ cọc ván thép vào đất nhiều lớp lực rung động 24 1.2.2 Lựa chọn mơ hình đất phương trình tốn xác định lực cản động lớp đất lên cọc ván thép 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 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 40 CHƯƠNG NGHIÊN CỨU HỆ “BÚA RUNG - CỌC VÁN THÉP - NỀN ĐẤT NHIỀU LỚP” 42 2.1 XÂY DỰNG MƠ HÌNH TỐN CHO HỆ “BÚA RUNG - CỌC VÁN THÉP - NỀN ĐẤT NHIỀU LỚP” 42 iv 2.1.1 Xác định thông số hệ “Búa rung - Cọc ván thép - Nền đất nhiều lớp” 42 2.1.2 Xây dựng mơ hình tốn cho hệ “Búa rung - Cọc ván thép - Nền đất nhiều lớp” 50 2.2 XÂY DỰNG SƠ ĐỒ THUẬT TỐN 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 VHQTUTC70 VÀO NỀN ĐẤT NHIỀU LỚP TẠI CÔNG TRÌNH CẦU ĐỒNG QUANG 57 2.3.1 Xác định thơng số đầu vào tốn 57 2.3.2 Phân tích kết 62 KẾT LUẬN CHƯƠNG 69 CHƯƠNG 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 toán 70 3.1.2 Xác định chi phí lượng búa rung q trình hạ cọc ván thép vào đất nhiều lớp 71 3.1.3 Xây dựng mơ hình tốn xác định thơng số hợp lý búa rung 73 3.1.4 Xây dựng thuật tốn chương trình tính thơng 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 v 3.2.2 Kết tính tốn thơng số hợp lý 84 KẾT LUẬN CHƯƠNG 92 CHƯƠNG NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM Q TRÌNH HẠ CỌC VÁN THÉP TẠI CƠNG TRÌNH THI CƠNG 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 thông số cần đo đạc thực nghiệm 95 4.2 CÔNG TÁC CHUẨN BỊ THỰC NGHIỆM 96 4.2.1 Xây dựng mơ 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 q trình thực nghiệm cơng trường 105 4.3.2 Tổ chức đo đạc thực nghiệm 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 đo 112 4.5 PHÂN TÍCH KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM 116 4.5.1 Kết tốc độ hạ cọc độ dịch chuyển cọc ván thép 116 4.5.2 Kết gia tốc, vận tốc chuyển vị cọc ván thép khung treo búa rung 121 vi 4.5.3 Kết lực cản đất tác dụng lên cọc 124 4.5.4 Kết tính tốn hệ số hóa lỏng (đất cát) hệ số chảy lỏng đất (đất sét) 126 4.6 SO SÁNH ĐÁNH GIÁ GIỮA KẾT QUẢ LÝ THUYẾT VÀ KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM 129 KẾT LUẬN CHƯƠNG 134 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 136 KẾT LUẬN 136 KIẾN NGHỊ VÀ HƯỚNG NGHIÊN CỨU TIẾP THEO 137 DANH MỤC CÁC CƠNG TRÌNH Đà CƠNG BỐ 138 TÀI LIỆU THAM KHẢO 139 vii DANH MỤC KÝ HIỆU DÙNG TRONG LUẬN ÁN Ký hiệu Diễn giải Đơn vị At Diện tích mũi cọc m2 A Diện tích mặt cắt ngang cọc ván thép m2 Ac Biên độ rung động búa rung - cọc ván thép m a, Gia tốc dao động cọc m/s2 Độ chênh gia tốc m/s2 amin Gia tốc tối thiểu để hạ cọc m/s2 a ci Gia tốc hướng tâm bánh lệch tâm m/s2 C Lực dính kết đất cb Vận tốc truyền sóng cọc ván thép m/s Ci Chuỗi nhiễm sắc thể hệ thứ i - ae CFW(z) Hàm chi phí lượng (W) theo chiều sâu hạ cọc (z) D Hằng số đột biến Dpl Đường kính pulley đo độ dịch chuyển cọc kN/m2 kW/m m E Mô đun đàn hồi vật liệu chế tạo cọc ván thép kN/m2 El Mô đun đàn hồi vật liệu làm điện trở kN/m2 e0 Hệ số lỗ rỗng f Tần số lực rung động búa rung Hz F0 Lực tĩnh tác dụng lên hệ hay tổng trọng lượng toàn búa rung kN Fd Lực động lý thuyết búa rung tạo kN Fs Lực đàn hồi hệ lò xo kN FR Tỷ lệ sức kháng thu từ kết thí nghiệm CPT % fs Sức kháng thành đơn vị theo thí nghiệm CPT g Gia tốc trọng trường kN/m2 m/s2 GF Hê số điện trở Gmax Mô đun cắt biến dạng nhỏ đất kN/m2 Gs Mô đun cắt đất kN/m2 gcvt Trọng lượng mét dài cọc ván thép kN/m hk Chiều dày lớp đất thứ k m hti Chiều sâu cọc dịch chuyển vào lớp đất thứ i m k Kích thước quần thể - KAR-1F Hệ số thiết lập chế độ đo chuẩn thiết bị đầu đo - KAR-2F Hệ số thiết lập chế độ đo chuẩn thiết bị đầu đo - viii L, lcọc Chiều dài cọc ván thép m l6 Chiều dài cọc ván thép từ mũi cọc đến mặt cắt 6-6 m m Số lượng bánh lệch tâm - mck Số chu kỳ dẫn động búa rung khoảng thời gian t để hạ cọc đến chiều sâu cho trước - mc Khối lượng cọc ván thép kg md Khối lượng phần động hệ kg mei Khối lượng khối lêch tâm thứ i, kg m1 Khối lượng khung treo búa kg m2 Khối lượng phần rung búa (gồm má kẹp cọc) kg Me Mô men lệch tâm mtong Tổng khối lượng hệ kg.m kg n Số vòng quay bánh lệch tâm phút Ip Chỉ số dẻo đất % Jcvt Mơ men qn tính cọc ván m4 Ni Nội lực cọc ván thép mặt cắt i kN N6k Nội lực mặt cắt 6-6 cọc thí nghiệm lớp đất thứ k kN Pkt Lực rung động búa rung tạo kN Pkt0 Biên độ lực rung động búa rung tạo kN Pi Chuỗi nhiễm sắc thể bố mẹ thứ i vòng/phút - Pqt1 Lực qn tính khung treo kN Pqt2 Lực quán tính thân búa - cọc ván thép kN Véc tơ thông số thiết kế - pl Véc tơ giới hạn thông số thiết kế p - pu Véc tơ giới hạn thông số thiết kế p - qc Sức kháng mũi đơn vị theo thí nghiệm CPT kN/m2 qd Sức kháng động đơn vị mũi cọc kN/m2 ql Sức kháng hóa lỏng đất mũi cọc kN/m2 qs Sức kháng tĩnh đơn vị mũi cọc kN/m2 qdi Sức kháng động mũi cọc đơn vị lớp đất cát thứ i kN/m2 qsi Sức kháng tĩnh đơn vị mũi cọc lớp đất thứ i kN/m2 qli Sức kháng hóa lỏng đơn vị mũi cọc lớp đất thứ i kN/m2 rei Bán kính lệch tâm m R Lực cản đất tác dụng lên cọc kN r Hệ số ngẫu nhiên chọn khoảng - p(…) ix Rt R max ti R simax Lực cản mũi cọc Sức kháng động mũi cọc lớn chu kỳ gia tải lớp đất thứ i Sức kháng động thành cọc lớn chu kỳ gia tải lớp đất thứ i kN kN kN R t_tinh_i Sức kháng tĩnh mũi cọc lớp đất cát thứ i kN R s_tinh_i Sức kháng tĩnh thành cọc lớp đất cát thứ i kN Rs Lực cản thành cọc kN rei Bán kính lệch tâm bánh lệch tâm thứ i m Rf Hệ số sức kháng (fs/qc*100) thu từ kết thí nghiệm CPT % Rtk Lực cản động mũi cọc lớp đất thứ k kN Rsz Lực cản động thành cọc chiều sâu z kN Rsz(k) Lực cản thành động lớp đất thứ k kN S Độ cứng hệ lò xo So Biên độ dao động hệ “búa rung - cọc” m Biên độ giới hạn nhỏ cọc để hạ cọc vào đất m So Su Cường độ kháng cắt khơng nước trung bình đất t Thời gian tính tn Thời gian để sóng dao động từ đầu cọc đến mũi cọc phản hồi trở lại đầu cọc kN.m/s kN/m2 s s T Chu kỳ lực rung động s Tc Thời gian mũi cọc tiếp xúc với đất chu kỳ s Ti Thời gian chu kỳ thứ i s v Vận tốc dịch chuyển cọc m/s vc Vận tốc hạ cọc trung bình m/s Vận tốc hạ cọc trung bình chu kỳ thứ i m/s vtb(Ti): Vi Điện áp thu từ cụm đầu đo mặt cắt i V Vc Điện áp thu từ đầu đo gia tốc AR-2F V Vkh Điện áp thu từ đầu đo gia tốc AR-1F V Xbd Hệ số thiết lập chế độ đo thiết bị - XAR-2F Hệ số hiệu chuẩn đầu đo AR-2F - XAR-1F Hệ số hiệu chuẩn đầu đo AR-1F - X Số xung mà đầu đo độ dịch chuyển cọc đếm Y Số xung mà đầu đo trục gây rung đếm giây lần lần/s x z Chiều sâu dịch chuyển đầu cọc vào đất m z1 Dịch chuyển khung treo búa rung m z2 Dịch chuyển thân búa cọc ván thép m Độ dịch chuyển trung bình cọc chu kỳ Ti m Chiều sâu hạ cọc cho trước m ztb(Ti) zmax z2 Vận tốc dịch chuyển cọc m/s W Tổng lượng chi phí để dẫn động búa rung kW Wt Công suất đơn vị lý thuyết búa rung WTi Chi phí lượng dẫn động búa chu kỳ thứ Ti , i Tỷ suất gia tốc, =a/g; i=ai/g - lg Hệ số điều chỉnh phạm vi lai ghép - tn Hệ số thực nghiệm - ac Sai số thực nghiệm gia tốc cọc ván thép - akh Sai số thực nghiệm gia tốc khung treo búa rung - AR-1F Sai số đầu đo gia tốc AR-1F - AR-2F Sai số đầu đo gia tốc AR-2F - TDS-302 Sai số thiết bị đo TDS-302 - ladientro Sai số cụm đầu đo biến dạng - SDA380C Sai số thiết bị đo SDA380C - W Lượng lượng tổn thất chu kỳ kN.m/s kW kW/CK Vận tốc góc trục lệch tâm i Ứng suất cọc ván thép mặt cắt i kN/m2 6k Ứng suất cọc ván thép mặt cắt 6-6 với lớp đất thứ k kN/m2 1z Ứng suất cọc ván thép mặt cắt 1-1 chiều sâu z kN/m2 Ứng suất cọc ván thép mặt cắt 1-1 chiều sâu z(k) kN/m2 1z(k) rad/s Hệ số điều chỉnh phạm vi lai ghép Khối lượng thể tích tự nhiên đất Góc ma sát t Hệ số thực nghiệm d Sức kháng cắt động đơn vị thành cọc kN/m2 l Sức kháng hóa lỏng đất dọc thành cọc kN/m2 s Sức kháng tĩnh đất dọc thành cọc kN/m2 di Sức kháng động thành cọc đơn vị lớp đất thứ i kN/m2 kg/m3 độ - xi si Sức kháng tĩnh đơn vị thành cọc lớp đất thứ i kN/m2 li Sức kháng hóa lỏng đơn vị thành cọc lớp đất thứ i kN/m2 Ứng suất cắt lớn tương ứng với biến dạng lớn đất kN/m2 max Chu vi mặt cắt cọc ván thép m Hệ số hóa lỏng thực nghiệm - Hệ số chảy lỏng thực nghiệm - Hệ số hiệu sử dụng búa - o Hệ số thực nghiệm, với cọc ván thép - Hiệu suất truyền động hệ dẫn động gây rung - ck Hiệu suất truyền động khí hệ dẫn động gây rung - tl Hiệu suất truyền động thủy lực hệ dẫn động gây rung - i Biến dạng tương đối mặt cắt i - [σ] Véc tơ ứng suất - [D] Ma trận độ cứng - [ε] Véc tơ biến dạng - xii DANH MỤC HÌNH VẼ, ẢNH DÙNG TRONG LUẬN ÁN Danh mục hình vẽ Trang Hình 1.1 Sơ đồ cấu tạo búa rung Hình 1.2 Búa rung dẫn động thủy lực tích hợp máy đào gầu Hình 1.3 Búa rung lắp máy sở có sử dụng giá dẫn hướng (kiểu treo cứng) Hình 1.4 Búa rung lắp cần trục sở (kiểu treo tự do) Hình 1.5 Cọc ván thép dạng Hình 1.6 Cọc ván thép dạng chữ U Hình 1.7 Mặt cắt cọc ván thép NSP-IIw Hình 1.8 Cấu trúc địa chất điển hình Hà Nội, [26] Hình 1.9 Một số dạng cấu trúc địa chất điển hình thành phố Huế [16] 10 Hình 1.10 Một số dạng cấu trúc địa chất điển hình TP Hồ Chí Minh Hình 1.11 Mơ hình truyền sóng Gardner (1987) 18 Hình 1.12 Tổng thể trình hạ cọc ván thép búa rung 24 Hình 1.13 Cơ chế hoạt động hệ “Búa rung - Cọc ván thép - Đất nhiều lớp” 25 Hình 1.14 Quan hệ ứng suất-biến dạng đất dạng hyperbolic chịu tải lặp 26 Hình 1.15 Dịch chuyển tương đối hạt theo mức biến dạng cắt [40] 28 Hình 1.16 Sơ đồ phân vùng ứng xử đất xung quanh cọc ván thép hạ lực rung động, Denies (2010) 28 Hình 1.17 Sơ đồ mơ tả dịch chuyển cọc ván thép (a), lực cản động thành cọc (b) lực cản động mũi cọc (c) 30 Hình 1.18 Sự thay đổi sức kháng thành cọc (a) sức kháng mũi cọc (b) theo chuyển vị cọc 32 Hình 1.19 Miền khả chấp thông số thiết kế 34 Hình 1.20 Cực trị tuyệt đối cực trị 35 Hình 1.21 Minh họa nguyên lý chung phương pháp hướng đến cực trị 37 Hình 1.22 Ảnh hưởng điểm xuất phát đến tính cục hay tuyệt đối nghiệm tốn tối ưu khơng 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 cấu gây rung có hướng 43 Hình 2.3 Quy luật thay đổi lực rung động dạng chuyển vị hệ 43 xiii Hình 2.4 Mơ hình truyền song ứng suất cọc ván thép 44 Hình 2.5 Mơ hình tính tốn lý thuyết hệ “Búa rung - Cọc ván thép - Đất nhiều lớp” 52 Hình 2.6 Sơ đồ phân tích lực tác dụng lên phần tử mơ hình tính 53 Hình 2.7 Sơ đồ khối chương trình tính toán hạ cọc ván thép búa rung 55 Hình 2.8 Sơ đồ chương trình tính thông số động lực học hệ 55 Hình 2.9 Sơ đồ chương trình tính lực cản động 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 loại cát 61 Hình 2.14 Độ dịch chuyển thực cọc (trụ T2, f=30Hz) 62 Hình 2.15 Gia tốc cọc (trụ T2, f=30Hz) 63 Hình 2.16 Gia tốc rung khung treo (trụ T2, f=30Hz) 63 Hình 2.17 Vận tốc rung cọc (trụ T2, f=30Hz) 63 Hình 2.18 Vận tốc rung khung treo (trụ T2, f=30Hz) 63 Hình 2.19 Chuyển vị cọc (trụ T2, f=30Hz) 64 Hình 2.20 Chuyển vị 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 cọc (trụ T3, f=30Hz) 65 Hình 2.24 Gia tốc rung cọc (trụ T3, f=30Hz) 66 Hình 2.25 Gia tốc rung khung treo (trụ T3, f=30Hz) 66 Hình 2.26 Vận tốc rung cọc (trụ T3, f=30Hz) 66 Hình 2.27 Vận tốc rung khung treo (trụ T3, f=30Hz) 66 Hình 2.28 Chuyển vị cọc (trụ T3, f=30Hz) 67 Hình 2.29 Chuyển vị khung treo (trụ T3, f=30Hz) 67 Hình 2.30 Lực cản động thành cọc (trụ T3, f=30Hz) 67 Hình 2.31 Lực cản động mũi cọc (trụ T3, f =30Hz) 67 Hình 3.1 Sơ đồ khối mơ tả thuật tốn di truyền 76 Hình 3.2 Sơ đồ thuật toán ứng dụng thuật toán di truyền để giải tốn xác định thơng số hợp lý búa rung hạ cọc ván thép vào đất nhiều lớp 77 xiv Hình 3.3 Đồ thị thể trình tìm kiếm thông số hợp lý búa rung với lớp đất cát hạt nhỏ màu xám đen, chặt vừa (trụ T2) 85 Hình 3.4 Đồ thị thể trình tìm kiếm thông số hợp lý búa rung với sét pha màu xám nâu, trạng thái nửa cứng (trụ T2) 86 Hình 3.5 Dịch chuyển cọc (khi f=30, 32 35Hz) 87 Hình 3.6 Gia tốc dịch chuyển cọc (khi f=30, 32 35Hz) 87 Hình 3.7 Gia tốc dịch chuyển khung treo (khi f=30, 32 35Hz) 88 Hình 3.8 Vận tốc dịch chuyển cọc (khi f=30, 32 35Hz) 88 Hình 3.9 Vận tốc khung treo (khi f=30, 32 35Hz) 89 Hình 3.10 Chuyển vị cọc (khi f=30, 32 35Hz) 89 Hình 3.11 Chuyển vị khung treo (khi f=30, 32 35Hz) 90 Hình 3.12 Lực cản động thành cọc (khi f=30, 32 35Hz) 90 Hình 3.13 Lực cản động thành cọc (khi f=30, 32 35Hz) 91 Hình 4.1 Đặc tính làm việc cần trục Liebherr HS833HD 94 Hình 4.2 Đặc tính sức nâng tầm với cần trục Liebherr HS833HD 94 Hình 4.3 Sơ đồ thơng số cần xác định trình thực nghiệm 95 Hình 4.4 Cấu tạo tổng thể hệ búa rung lắp cần trục sở 96 Hình 4.5 Sơ đồ mơ tả q trình tương tác cọc ván thép đất tác dụng lực động búa rung tạo 97 Hình 4.6 Mơ hình thực nghiệm q trình hạ cọc ván thép búa rung vào đất nhiều lớp 98 Hình 4.7 Sơ đồ đấu điện trở (sơ đồ cầu đấu ½) 99 Hình 4.8 Sơ đồ bố trí đầu đo độ dịch chuyển cọc 100 Hình 4.9 Cọc thí nghiệm 100 Hình 4.10 Cấu tạo phân gây rung 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 điện trở 102 Hình 4.14 Sơ đồ nguyên lý thiết bị SDA830C 102 Hình 4.15 Đầu đo độ dịch chuyển cọc 103 Hình 4.16 Cụm đầu đo - pu ly 103 Hình 4.17 Đầu đo gia tốc AR-2F lắp cọc ván thép thử nghiệm 103 xv 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 điện trở sau dán vào cọc ván thép 104 Hình 4.21 Hàn ốp bảo vệ đầu đo dây tín hiệu 104 Hình 4.22 Sơ đồ tổng thể q trình thực nghiệm cơng trường 106 Hình 4.23 Sơ đồ đấu nối đầu đo thiết bị đo 106 Hình 4.24 Hệ thống dây dẫn tín hiệu sau 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 trục búa rung 108 Hình 4.30 Bộ đầu đo HE40B-6-1024-3-T-24 gắn trục pulley đo độ dịch chuyển 109 Hình 4.31 Sơ đồ bố trí mặt cắt đo biến dạng 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 4.33 Tốc độ hạ cọc ván thép theo chiều sâu hạ cọc (lần 2, trụ T2) 117 Hình 4.34 Tốc độ hạ cọc ván thép theo chiều sâu hạ cọc (lần 3, trụ T2) 117 Hình 4.35 Tốc độ hạ cọc ván thép theo chiều sâu hạ cọc (lần 4, trụ T3) 117 Hình 4.36 Tốc độ hạ cọc ván thép theo chiều sâu hạ cọc (lần 5, trụ T3) 117 Hình 4.37 Dịch chuyển cọc ván thép chiều sâu hạ cọc z =250 đến 280 mm (lần 1, f=15 Hz, trụ T2) 117 Hình 4.38 Dịch chuyển cọc ván thép chiều sâu hạ cọc z =11,970 đến 11,989m (lần 1, f=15 Hz, trụ T2) 118 Hình 4.39 Dịch chuyển cọc ván thép chiều sâu hạ cọc z =250 đến 280 mm (lần 1, f=20 Hz, trụ T2) 118 Hình 4.40 Dịch chuyển cọc ván thép chiều sâu hạ cọc z =250 đến 280 mm (lần 1, f=25 Hz, trụ T2) 118 Hình 4.41 Dịch chuyển cọc ván thép chiều sâu hạ cọc z =11,820 đến 11,850m (lần 1, f=25 Hz, trụ T2) 118 Hình 4.42 Dịch chuyển cọc ván thép chiều sâu hạ cọc z =250 đến 280 mm (lần 1, f=30 Hz, trụ T2) 118 xvi Hình 4.43 Dịch chuyển cọc ván thép chiều sâu hạ cọc z =11,870 đến 11,900m (lần 1, f=30 Hz, trụ T2) 118 Hình 4.44 Dịch chuyển cọc ván thép chiêu sâu hạ cọc z =250 đến 280 mm (lần 1, f=35 Hz, trụ T2) 118 Hình 4.45 Dịch chuyển cọc ván thép chiêu sâu hạ cọc z =10,980 đến 10,990m (lần 1, f=35 Hz, trụ T2) 118 Hình 4.46 Quan hệ tốc độ hạ cọc lực kích thích với tần số 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 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 Hình 4.53 Lực cản động mũi từ đến 2s 125 (f=35 Hz, trụ T2) 125 Hình 4.54 Lực cản động mũi từ 80 đến 81s 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 4.56 Lực cản động thành cọc từ đến 2s (f=35 Hz, trụ T2) 125 Hình 4.57 Lực cản động thành cọc từ 80 đến 81s (f=35 Hz, trụ T2) 125 Hình 4.58 Dịch chuyển cọc theo thời gian (trụ T2, f=30Hz) 129 Hình 4.59 Gia tốc dao động cọc (trụ T2, f=30Hz) 130 Hình 4.60 Gia tốc dao động khung treo (trụ T2, f=30Hz) 130 Hình 4.61 Vận tốc dao động cọc (trụ T2, f=30Hz) 130 Hình 4.62 Vận tốc dao động khung treo (trụ T2, f=30Hz) 131 Hình 4.63 Chuyển vị cọc (trụ T2, f=30Hz) 131 Hình 4.64 Chuyển vị khung treo (trụ T2, f=30Hz) 131 Hình 4.65 Lực cản động thành cọc (trụ T2, f=30Hz) 132 Hình 4.66 Lực cản động mũi cọc (trụ T2, f=30Hz) 132 xvii DANH MỤC CÁC BẢNG DÙNG TRONG LUẬN ÁN Danh mục bảng Trang Bảng 1.1 Phân loại búa rung theo tần số mô men lệch tâm Bảng 1.2 Bảng tổng hợp cơng trình nghiên cứu nước q trình hạ cọc búa rung công bố Error! Bookmark not defined Bảng 1.3 Bảng tổng hợp cơng trình nghiên cứu ngồi nước trình hạ cọc búa rung theo phương pháp tích phân Error! Bookmark not defined Bảng 2.1 Giá trị biên độ rung hệ “búa rung - cọc” theo Rodger Littlejohn (1980) 44 Bảng 2.2 Các thông số đầu vào búa rung VH-QTUTC70 57 Bảng 2.3 Các thông số đầu vào cọc ván thép NSP-IIw 58 Bảng 2.4 Loại đất trụ T2 T3 cầu Đồng Quang 61 Bảng 2.5 Giá trị hệ số thực nghiệm đưa vào tính tốn 62 Bảng 3.1 Các thông số kỹ thuật búa rung 70 Bảng 3.2 Các tùy chọn để thực q trình tính thuật tốn di truyền 81 Bảng 3.3 Thông số đầu vào để xác định thông số hợp lý búa rung VH-QTUTC70 84 Bảng 3.4 Các thông số kỹ thuật hợp lý búa rung 84 Bảng 3.5 Kết tần số rung (f) khối lượng khung treo (m1) hợp lý búa rung 92 Bảng Thơng số cần trục Liebherr HS833HD [51] 94 Bảng 4.2 Kết thô đo biến dạng (ứng suất) mặt cắt cọc ván thép (lần 1, trụ T2, tần số f = 15 Hz) 112 Bảng 4.3 Kết ứng suất mặt tổng lực cản đất lên cọc ván thép(lần 1, trụ T2, tần số f = 15 Hz) 113 Bảng 4.4 Kết ứng suất mặt cắt tổng lực cản đất lên cọc ván thép (lần 1, trụ T2, tần số f = 20 Hz) 113 Bảng 4.5 Kết ứng suất mặt cắt tổng lực cản đất lên cọc ván thép (lần 1, trụ T2, tần số f = 25 Hz) 113 Bảng 4.6 Kết ứng suất mặt cắt tổng lực cản đất lên cọc ván thép (lần 1, trụ T2, tần số f = 30 Hz) 113 Bảng 4.7 Kết ứng suất mặt cắt tổng lực cản đất lên cọc ván thép (lần 1, trụ T2, tần số f = 35 Hz) 113 xviii Bảng 4.8 Kết thô đo gia tốc, vận tốc, chuyển vị hệ (lần 1, trụ T2, tần số f=15 Hz) 114 Bảng 4.9 Kết gia tốc, vận tốc, chuyển vị hệ (lần 1, trụ T2, tần số f = 15 Hz) 114 Bảng 4.10 Kết gia tốc, vận tốc, chuyển vị hệ (lần 1, trụ T2, tần số f = 20 Hz) 114 Bảng 4.11 Kết gia tốc, vận tốc, chuyển vị hệ (lần 1, trụ T2, tần số f = 25 Hz) 114 Bảng 4.12 Kết gia tốc, vận tốc, chuyển vị hệ (lần 1, trụ T2, tần số f = 30 Hz) 114 Bảng 4.13 Kết gia tốc, vận tốc, chuyển vị hệ (lần 1, trụ T2, tần số f = 35 Hz) 115 Bảng 4.14 Kết đo độ dịch chuyển cọc (lần 1, trụ T2, tần số f = 15 Hz) 115 Bảng 4.15 Kết đo độ dịch chuyển cọc (lần 1, trụ T2, tần số f = 20 Hz) 115 Bảng 4.16 Kết đo độ dịch chuyển cọc (lần 1, trụ T2, tần số f = 25 Hz) 115 Bảng 4.17 Kết đo độ dịch chuyển cọc (lần 1, trụ T2, tần số f = 30 Hz) 115 Bảng 4.18 Kết đo độ dịch chuyển cọc (lần 1, trụ T2, tần số f = 35 Hz) 115 Bảng 4.19 Tổng hợp tốc độ hạ cọc qua lớp đất trụ T2 116 Bảng 4.20 Tổng hợp tốc độ hạ cọc qua lớp đất trụ T3 116 Bảng 4.21 Tổng hợp vận tốc hạ cọc thực nghiệm theo tần số lực rung động lớp đất 119 Bảng 4.22 Tổng hợp thông số động lực học hệ theo tần số lực rung động 124 Bảng 4.23 Bảng tổng hợp hệ số hóa lỏng hệ số chảy lỏng trung bình theo tần số loại đất trụ T2 128 Bảng 4.24 Bảng tổng hợp hệ số hóa lỏng hệ số chảy lỏng trung bình theo tần số loại đất trụ T3 128 Bảng 4.25 Sai số độ dịch chuyển lý thuyết thực nghiệm 133 Bảng 4.26 Sai số gia tốc dao động lý thuyết thực nghiệm 133 Bảng 4.27 Sai số vận tốc dao động lý thuyết thực nghiệm 133 Bảng 4.28 Sai số chuyển vị lý thuyết thực nghiệm 133 Bảng 4.29 Sai số lực cán động thành cọc lý thuyết thực nghiệm 134 Bảng 4.30 Sai số lực cản động mũi cọc lý thuyết thực nghiệm 134 MỞ ĐẦU Tính cấp thiết đề tài Cùng với phát triển kinh tế xã hội, nhu cầu đầu tư xây dựng sở hạ tầng (trong có hạ tầng giao thông vận tải) ngày lớn, kéo theo nhu cầu sử dụng thiết bị thi công ngày tăng, có cơng tác sử dụng loại búa rung để hạ cọc thép (như cọc ván thép, cọc ống thép…) vào đất, biện pháp thi cơng phổ biến q trình thi cơng kết cấu móng cơng trình [47] Ở nước ta, búa rung sử dụng từ lâu [10], phần lớn loại búa rung loại búa rung nhập ngoại Đến chưa có tác giả hay cơng trình quan tâm nghiên cứu xây dựng sở khoa học đầy đủ chuyên sâu cho việc tính tốn thiết kế, tính tốn lựa chọn búa rung thi công điều kiện địa chất Việt Nam, với đặc điểm cấu trúc địa chất nhiều lớp điển hình, có tính chất lý khác nằm đan xen với chiều dày khác nhau, nên tính tốn, việc coi đất có cấu trúc lớp đồng hồn tồn khơng phù hợp với điều kiện làm việc thực tế, điều lý giải nguyên nhân nhiều cố kỹ thuật xảy trình sử dụng búa rung thi công năm vừa qua [19] Từ thực trạng cho thấy, việc nghiên cứu tính tốn q trình hạ cọc ván thép vào đất nhiều lớp búa rung sở phân tích phi tuyến q trình tương tác lớp đất với cọc ván thép trình làm việc vấn đề cấp thiết, có ý nghĩa khoa học thực tiễn cao đến chưa có tác giả quan tâm nghiên cứu, đặc biệt tốn xác định thơng số kỹ thuật hợp lý búa rung quan điểm nghiên cứu hệ "Búa rung - Cọc ván thép - Nền đất nhiều lớp" nhằm tạo sở khoa học cho việc tính tốn thiết kế nâng cao hiệu qua khai thác sử dụng búa rung thi công Mục tiêu nghiên cứu Nghiên cứu xây dựng phương pháp xác định thông số kỹ thuật hợp lý búa rung để hạ cọc ván thép vào đất nhiều lớp ứng dụng nghiên cứu cho trường hợp cụ thể để xác định thông số hợp lý búa rung VH-QTUTC70 hạ cọc ván thép loại NSP-IIw vào đất nhiều lớp cơng trình cầu Đồng Quang, Ba Vì, Hà Nội Đối tượng nghiên cứu - Búa rung loại treo tự do: Luận án chọn búa rung kiểu treo tự cần trục sở, có tần số rung khoảng từ 15 đến 40 Hz làm đối tượng nghiên cứu, loại búa rung có tần số rung sử dụng phổ biến thi công nay, kết nghiên cứu có tính ứng dụng phù hợp thực tế Đối tượng nghiên cứu cho trường hợp cụ thể búa rung dẫn động thủy lực VH-QTUTC70, chế tạo nước, có tần số rung từ 15 đến 36,62 Hz phù hợp với xu hướng sử dụng búa rung dẫn động thủy lực thay cho búa rung điện năm gần - Cọc ván thép mặt cắt chữ U: Đây cọc ván thép loại thông dụng sử dụng nhiều thi công Việt Nam, đồng thời cấu tạo loại cọc ván thép phù hợp cho nghiên cứu lý thuyết 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 Việt Nam (theo tiêu chuẩn Nhật Bản) đối tượng nghiên cứu thể tính chất đại diện điển hình đối tượng nghiên cứu - Nền đất nhiều lớp: Đến chưa có cơng trình quan tâm đến việc nghiên cứu trình hạ cọc ván thép búa rung vào đất nhiều lớp, lớp đất đặc trưng tiêu lý chiều dày khác nhau, có quan tâm đến việc tính tốn thành phần lực cản động lớp đất lên cọc ván thép dựa chế tương tác lớp đất với cọc ván thép tác dụng lực rung động búa rung tạo Luận án sử dụng thông số địa chất cơng trình cầu Đồng Quang để tính tốn cho trường hợp cụ thể địa chất có cấu trục địa chất nhiều lớp (gồm lớp đất cát đất sét, loại đất điển hình cho loại đất nước ta) phân lớp rõ ràng nên phù hợp cho mục đích nghiên cứu luận án Phương pháp nghiên cứu - Phương pháp thống kế, phân tích tổng hợp để xây dựng mục tiêu, nhiệm vụ mơ hình tính tốn luận án - Phương pháp toán học để xây dựng tốn xác định thơng số hợp lý - Phương pháp số để lập trình chương trình tính - Phương pháp thực nghiệm để xác định hệ số thực nghiệm Ý nghĩa khoa học thực tiễn đề tài Luận án - Nghiên cứu thiết lập phương pháp chương trình tính tốn hạ cọc ván thép búa rung vào đất nhiều lớp không phục vụ cho riêng cọc ván thép mà sở ứng dụng cho trình hạ loại cọc khác cọc ống thép, cọc bê tông… lực rung động vào đất nhiều lớp Đồng thời ứng dụng chương trình tính phục vụ cho việc tính tốn, thiết kế hợp lý loại búa rung chế tạo nước 3 - Nghiên cứu ứng dụng thuật toán di truyền xây dựng chương trình tính máy tính để xác định thơng số kỹ thuật hợp lý búa rung toán hạ cọc ván thép vào đất nhiều lớp, thông số sử dụng tính tốn thiết kế lựa chọn, khai thác sử dụng búa rung q trình thi cơng - Q trình nghiên cứu thực nghiệm với quy trình thực nghiệm hợp lý thiết bị đo đại tạo sở cho việc xây dựng phương pháp thực nghiệm loại máy xây dựng khác - Nghiên cứu thực nghiệm xác định thành phần lực cản động thực tế đất tác dụng lên cọc ván thép tác dụng tải trọng rung động, từ xác định hệ số hóa lỏng hệ số chảy lỏng động số loại đất cơng trình cầu Đồng Quang (Ba Vì, Hà Nội) [5], [23], sử dụng kết để tính tốn thiết kế khai thác sử dụng búa rung thực tế thi cơng Tính luận án: - Đã nghiên cứu động lực học hệ “Búa rung - Cọc ván thép - đất nhiều lớp”, bao gồm việc xây dựng mơ hình tốn cho tốn hạ cọc ván thép vào đất nhiều lớp búa rung có quan tâm đến chế tương tác lớp đất với cọc ván thép tác dụng lực rung động, xây dựng sơ đồ thuật toán chương trình tính tốn - Đã nghiên cứu phương pháp xác định thông số hợp lý búa rung hạ cọc ván thép vào đất nhiều lớp, bao gồm xây dựng hàm mục tiêu, sơ đồ thuật tốn chương trình tính tốn Áp dụng chương trính tính tốn cho trường hợp cụ thể, xác định thông số hợp lý búa rung VH-QTUTC70 sử dụng để hạ cọc ván thép NSP-IIw điều kiện địa chất nhiều lớp cơng trình cầu Đồng Quang (Ba Vì, Hà Nội) - Bằng phương pháp nghiên cứu thực nghiệm xác định giá trị hệ số hóa lỏng hệ số chảy lỏng loại đất trụ T2 T3 cơng trình cầu Đồng Quang (Ba Vì, Hà Nội) Bố cục luận án: Luận án bố cục theo nội dung sau Mở đầu Chương Nghiên cứu tổng quan hệ “Búa rung - Cọc ván thép - Nền đất Nhiều lớp” Trình bày kiến giải chung hệ “Búa rung - Cọc ván thép - Nền đất nhiều lớp”, thống kê phân tích cơng trình nghiên cứu công bố lĩnh vực thi cơng cọc búa rung ngồi nước Phân tích cơng trình nghiên cứu cơng bố việc xác định thành phần lực cản động đất tán hạ cọc ván thép lực rung động để từ lựa chọn mơ hình đất phù hợp cho loại đất toán hạ cọc ván thép vào đất nhiều lớp búa rung Đồng thời phân tích lựa chọn lý thuyết xác định thông số hợp lý búa rung trình hạ cọc ván thép vào đất nhiều lớp Thơng qua việc phân tích kết đạt tồn chưa giải cơng trình cơng bố ngồi nước, luận án đưa tính cấp thiết đề tài xây dựng nội dung nghiên cứu luận án Chương Nghiên cứu hệ “Búa rung - Cọc ván thép - Nền đất nhiều lớp” Phân tích yếu tố ảnh hưởng đến trình hạ cọc búa rung, xác định thơng số hệ cần xác định, từ tiến hành xây dựng mơ hình tính, lựa chọn mơ hình tốn xác định thành phần lực cản động lớp đất lên cọc ván thép, xây dựng đánh giá độ tin cậy chương trình tính xây dựng được, ứng dụng tính cho trường hợp cụ thể hạ cọc ván thép NSP-IIw búa rung VH-QTUTC70 vào đất nhiều lớp trụ T2,T3 cơng trình cầu Đồng Quang (Ba Vì, Hà Nội) Chương Nghiên cứu xác định thông số kỹ thuật hợp lý búa rung hạ cọc ván thép vào đất nhiều lớp Xây dựng phương pháp chương trình tính tốn xác định thông số kỹ thuật hợp lý búa rung hệ “Búa rung - Cọc ván thép - Nền đất nhiều lớp”, áp dụng tính tốn cho trường hợp cụ thể, xác định thông số kỹ thuật hợp lý búa rung VHQTUTC70 Việt Nam chế tạo để hạ cọc ván thép NSP-IIw vào đất nhiều lớp cơng trình cầu Đồng Quang (Ba Vì, Hà Nội), từ đưa số kiến nghị, giải pháp để tối ưu trình hạ cọc ván thép búa rung Chương Nghiên cứu thực nghiệm q trình hạ cọc ván thép cơng trình thi cơng cầu Đồng Quang (Ba Vì, Hà Nội) búa rung Việt Nam chế tạo Nghiên cứu thực nghiệm nhằm xác định thành phần lực cản động loại đất tác dụng lên cọc ván thép hạ búa rung, qua xác định hệ số thực nghiệm (hệ số hóa lỏng hệ số chảy lỏng loại đất) để xác định thành phần lực cản động lý thuyết tính toán Chương Chương Kết luận Kiến nghị: Trình bày kết luận chính, đóng góp kết luận án hướng nghiên cứu Tài liệu tham khảo Các phụ lục CHƯƠNG NGHIÊN CỨU TỔNG QUAN VỀ HỆ “BÚA RUNG - CỌC VÁN THÉP - NỀN ĐẤT NHIỀU LỚP” 1.1 NGHIÊN CỨU TỔNG QUAN VỀ HỆ “BÚA RUNG - CỌC VÁN THÉP - NỀN ĐẤT NHIỀU LỚP” 1.1.1 Giới thiệu búa rung, cọc ván thép đất nhiều lớp 1.1.1.1 Búa rung Trong năm gần đây, búa rung sử dụng phổ biến để hạ loại cọc ống thép, cọc ván thép thi cơng; có nhiều cách phân loại khác theo cấu tạo, búa rung gồm loại búa rung túy (hình 1.1a, hình 1.1b) búa va rung (hình 1.1c) [3], [72] Khi làm việc, lực rung động búa rung tạo truyền cho cọc vùng đất xung quanh cọc dạng sóng dao động, sóng dao động phần làm giảm lực cản đất lên cọc, phần lại tạo lực ấn làm cọc xuống 8 10 11 a) 5 6 b) c) Hình 1.1 Sơ đồ cấu tạo búa rung a Búa rung kiểu cứng; b Búa rung kiểu mềm: c Búa va-rung Động ;2 Bộ truyền động; Thân búa (bộ gây rung); Bánh lệch tâm; Thiết bị kẹp cọc; Cọc; Khối lượng phần treo; 8, 10: Lò xo; Đầu đấm; 11 Đe Lực rung động hợp lực ly tâm theo phương thẳng đứng cặp bánh lệch tâm tạo quay Các bánh lệch tâm dẫn động động (điện động thủy lực) thông qua truyền động 2, búa rung dẫn động thủy lực có ưu điểm gọn nhẹ hơn, khả điều chỉnh tần số linh hoạt êm thuận so với búa rung dẫn động điện Lực rung động thông số búa rung, trị số phụ thuộc vào giá trị mô men lệch tâm tốc độ quay bánh lệch tâm Biên độ rung giữ vai trò quan trọng hạ cọc, khơng thể hạ cọc vào biên độ rung động hệ búa - cọc nhỏ biến dạng đàn hồi đất giá trị biên độ lớn chuyển vị đàn hồi đất (gây chuyển vị dư) cọc dịch chuyển xuống Tần số rung ảnh hưởng trực tiếp đến hiệu trình hạ cọc, tần số rung thấp cọc đất dao động yếu, cọc lớp đất xung quanh bề mặt cọc chuyển vị đồng thời (đất biến dạng đàn hồi nên khơng có biến dạng dư) cọc khơng xuống, tần số rung phải đủ lớn để phá vỡ liên kết đất với đất (vùng quanh cọc) đất với bề mặt cọc, làm lớp đất xung quanh cọc bị chảy lỏng hóa lỏng dẫn đến giảm lực cản đất lên cọc làm cọc xuống Ngoài ra, theo [43], [46], [37] búa rung phân loại theo tần số rung mô men lệch tâm bảng 1.1 Bảng 1.1 Phân loại búa rung theo tần số mô men lệch tâm Loại búa rung Khoảng tần số, Hz Mô men lệch tâm, kg.m Tần số tiêu chuẩn > 230 21 30 Tần số cao 30 42 45 Loại thay đổi số cặp bánh 40 10 45 lệch tâm Loại lắp máy xúc 30 50 13 Loại cộng hưởng >100 50 Hình 1.2 Búa rung dẫn động thủy lực tích hợp máy đào gầu Van khoá; Đường dầu hồi; Đường dầu áp cao; Đường ống dẫn dầu cho búa rung; Thùng dầu thuỷ lực; Két làm mát dầu; Bơm thuỷ lực; Van điều khiển; Cần điều khiển búa; 10 Búa rung thuỷ lực; 11 Cọc Có hai hình thức để tích hợp búa rung với máy sở gồm kiểu treo cứng (hình 1.3) kiểu treo tự (hình 1.4) 7 1: Cäc v¸n thÐp 2: M¸ kĐp cäc 3: Bệ gây rung 4: Xà treo 5: Móc cẩu 6: Cáp nâng búa 7: Đ-ờng ống dẫn dầu thủy lực 8: Cần trục sở Hình 1.3 Búa rung lắp máy sở có sử dụng giá dẫn hướng (kiểu treo cứng) Búa rung; Cơ cấu kẹp cọc; Cần; Hình 1.4 Búa rung lắp cần trục sở Cabin; Máy sở (kiểu treo tự do) Trong luận án, nghiên cứu sinh chọn hình thức búa rung treo tự cần trục sở (hình 1.4) làm đối tượng nghiên cứu, hình thức sử dụng hiệu q trình thi cơng cọc có chiều dài lớn tầm với lớn (như thi công mố trụ cầu, cảng sông, cảng biển…), đặc điểm kiểu búa treo tự cáp nên không tạo lực ép hạ cọc hình thức thường sử dụng cho loại búa rung lớn 1.1.1.2 Cọc ván thép Hình 1.5 Cọc ván thép dạng Hình 1.6 Cọc ván thép dạng chữ U Cọc ván thép (còn gọi cừ thép, cừ Larssen ) sử dụng lần vào năm 1908 Mỹ dự án xây dựng cảng Black Rock chúng sử dụng rộng rãi xây dựng ưu điểm trọng lượng nhẹ khả chịu lực cao với tải trọng động tải trọng lặp chu kỳ; tái sử dụng nhiều lần, dễ sử dụng chế tạo; tiêu chuẩn hóa sản xuất hàng loạt Cọc ván thép sử dụng để làm tường chắn cơng trình nơi có địa hình đồi dốc phức tạp hay men theo bờ sông; làm tường tầng hầm thay cho tường bê tơng cốt thép cơng trình nhà; hay làm khung vây tạm thời phục vụ thi công thi cơng cơng trình hạ tầng,… Hiện cọc ván thép sản xuất với nhiều hình dạng, kích thước khác ngày cải thiện khả chịu lực Ngồi cọc ván thép có mặt cắt ngang dạng chữ U, Z thơng thường có loại mặt cắt ngang Omega (W), dạng phẳng Ở nước ta có nhiều loại cọc ván thép khác nguồn gốc, tiêu chuẩn hình dạng, loại cọc ván thép sản xuất theo tiêu chuẩn liên bang Nga, Trung Quốc, Nhật Bản… loại cọc ván thép sản xuất theo tiêu chuẩn Nhật Bản chế tạo Việt Nam sử dụng nhiều nhất, có chất lượng tốt đáp ứng yêu cầu tiêu chuẩn Việt Nam, giá thành hợp lý Mặt khác, Nhật Bản nước đứng đầu đầu tư xây dựng hạ tầng Việt Nam nên họ yêu tiên sử dụng loại cọc ván thép sản xuất công ty Nhật Bản Xuất phát từ lý trên, luận án lựa chọn cọc ván thép loại mặt cắt chữ U (NSP-IIw) theo tiêu chuẩn Nhật Bản, chế tạo Việt Nam loại sử dụng phổ biến để làm đối tượng nghiên cứu toán hạ cọc ván thép búa rung Mặt cắt ngang cọc ván thép NSP-IIw hình 1.7 Hình 1.7 Mặt cắt cọc ván thép NSP-IIw 1.1.1.3 Nền đất nhiều lớp Trong trình thành tạo lớp bề mặt vỏ trái đất q trình trầm tích, phong hóa,… theo thời gian tạo lên lớp đất, đá có thành phần, tính chất, màu sắc chiều dày khác Các lớp đất tạo thành kết q trình phong hóa vật lý hóa học loại đá gốc, chúng mảnh vụn chưa gắn kết với q trình trầm tích Tuy thuộc vào yếu tố khí hậu, vật liệu gốc, sinh vật, địa hình thời gian, đồng thời tác động thay đổi điều kiện tự nhiên q trình trầm tích, làm chặt trọng lượng tầng trầm tích phủ lên, xói mòn, ngập nước hay tháo khô hoạt động kiến tạo… ảnh hưởng đến việc hình thành đặc điểm tính chất vật lý lớp đất Từ cho thấy vị trí trái đất, bề mặt bao phủ lớp đất có tính chất chiều dày khác Khơng nằm ngồi quy luật trên, đặc điểm địa hình đặc biệt nên cấu trúc địa chất nước ta phân lớp tương đối rõ ràng, kết q trình trầm tích lục địa trầm tích vùng vịnh hình thành lên lớp cát, sạn, dăm, sét, sét pha, cát pha…[14], [20], [22] Một số mặt cắt địa chất điển hình cho cấu trúc địa chất nhiều lớp Hà Nội, thành phố Hồ Chí Minh thành phố Huế hình 1.8 đến hình 1.10 1 12 1 1 13 6 12 12 13 13 9 13 13 11 14 14 18 13 15 13 13 13 20 13 17 20 13 15 17 25 18 15 18 18 25 18 18 18 25 21 20 22 22 22 25 Hệ tầng Thái Bình Hệ tầng Lệ Chi Đất yếu hệ tầng Vĩnh Phúc Cát Hệ tầng Hải H-ng Trầm tích tr-ớc Đệ tứ Đất lấp Sỏi cát cuội Hệ tầng Vĩnh Phúc Đất yếu hệ tầng Thái bình Sét sét pha Hệ tầng Hà Nội Đất yếu hệ tầng Hải H-ng Cát pha 1 1 6 1 14 1 10 1 12 13 14 13 13 15 13 12 14 13 12 6 9 10 9 6 6 15 11 16 14 13 16 15 15 12 17 15 15 12 14 17 18 17 18 15 14 13 15 13 14 17 18 14 13 14 19 18 13 18 18 17 19 18 17 25 18 16 19 19 18 18 19 19 16 20 19 19 19 19 21 18 22 18 22 22 22 22 23 22 22 22 19 22 22 22 22 23 23 22 23 22 24 23 24 24 24 24 24 24 24 24 24 24 24 25 25 25 25 25 25 25 25 25 25 Hình 1.8 Cấu trúc địa chất điển hình Hà Nội, [26] a Cấu trúc địa chất số 10 Trần Nhật Duật, P Tân Định, Q 1, TP Hồ Chí Minh [2] b Cấu trúc địa chất 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 TP Hồ Chí Minh 10 Hình 1.10 Một số dạng cấu trúc địa chất điển hình thành phố Huế [16] Vì vậy, việc coi đất đồng lớp toán hạ cọc búa rung không với cấu trúc địa chất thực, để đơn giản hầu hết tác giả, cơng trình nghiên cứu cơng bố đến giả thiết đất có cấu trúc lớp đồng chưa có cơng trình đề cập nghiên cứu đất có cấu trúc nhiều lớp theo cấu trúc thực môi trường đất Từ đó, luận án lựa chọn đất nhiều lớp đối tượng nghiên cứu, tính chất phức tạp đa dạng loại hình địa chất đất nhiều lớp vùng miền khác nhau, 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 cấu trúc địa chất nhiều lớp Hà Nội, từ sử dụng liệu loại đất Hà Nội làm sở tính tốn tốn hạ cọc ván thép búa rung Theo tài liệu [15], [21], [17], [25], địa chất Hà Nội chủ yếu có dạng phân lớp hình thành chủ yếu từ đất sét, sét (như trầm tích pleixtoxen trên, trầm tích Holoxen trên), cát, cát (như cát trầm tích biển lục địa hạt trung cát pha sông Holoxen) lớp đất yếu (như than bùn, bùn, sét dạng than bùn trầm tích biển Holoxen trung)… Các dạng cấu trúc địa chất tiêu lý loại đất điển hình Hà Nội trình bày chi tiết Phụ lục B luận án 11 1.1.2 Các cơng trình nghiên cứu q trình thi công cọc búa rung công bố 1.1.2.1 Các cơng trình nghiên cứu nước Bảng 1.2 Bảng tổng hợp cơng trình nghiên cứu nước q trình hạ cọc búa rung cơng bố Tài liệu Loại búa, loại cọc loại Mô hình tính, phương pháp nghiên cứu mơ hình đất Phương trình chuyển động kết đạt đất - Loại - Phương trình chuyển động: búa: - Mơ hình tính: Khơng đề cập P kt s P = P Sin(t) kt - Loại cọc: R F S [29] Rt m z F K m S Không đề cập z kt s Không đề cập - Loại đất: m kt0 P mz R max Rt K m: Khối lượng quy kết búa rung; S, K: Độ cứng hệ số dập tắt dao động quy kết cọc nền; : Lực cản Rt1 Rt2 Rt3 Rt Phương trình chuyển động hệ: thành cọc; P: Lực cản mũi cọc mz Kz Sz Pkt (R smax R t ) - Phương pháp nghiên cứu: Nghiên cứu lý thuyết động lực Với: học Rt: lực cản đầu cọc; - Mô hình đất: Khơng đề cập Pkt: Lực rung động Rsmax: Lực cản thành lớn nhất; - Kết đạt được: Tác giả tiến hành phân tích đưa mơ hình học tính tốn động lực học búa rung khối lượng, phân tích lực cản đất lên cọc gồm thành phần (lực cản mũi cọc lực cản thành cọc), xây dựng cơng thức lý thuyết tính thành phần lực cản chưa đề cập đến phương pháp xác định chúng 12 - Loại - Hệ phương trình chuyển động búa cọc gồm hai giai đoạn: búa: - Mơ hình tính: Khơng đề cập - Loại Pkt cọc: Không đề cập O G z - Loại đất: RS zh Không đề cập z K S z Giai đoạn rung (a): Khi cọc chưa bị trượt khối lượng đất bám (mđ) vào Rt G1 z G1 cọc m2 nên tạo thành khối lượng phần rung búa, cọc đất: m*= m2+ m1 mđ Hệ phương trình vi phân mơ tả chuyển động hệ đó: z z1 z1 S1 [3] Pkt = Pkt0.Sin(t) P = P Sin(t) kt z2 z2 kt0 m2 G2 Giai đoạn trượt (b): G2 O O R Sign(z) S S2 Giai đoạn rung Giai đoạn trượt R t (x,x) : Lực cản mũi cọc; Pkt: Lực rung động; S: Hệ số cản đàn hồi nền; z : chuyển vị đàn hồi; Rs: Lực cản thành đổi chiều theo hướng vận tốc - Phương pháp nghiên cứu: Nghiên cứu lý thuyết - Mơ hình đất: Khơng đề cập m1z1 +S1 (z1 -z )=m1g * * m z -S1 (z1 -z )+S2 z =m g+Pkt 0sin(ωt) m1z1 +S1 (z1 -z )=m1g m2 z -S1 (z1 -z )=m 2g+Pkt0sin(ωt)+R ssign(z ) Với S1: Độ cứng lò xo liên kết hai khối lượng m1 m2; S2: Độ cứng đất; z1 z2: Dịch chuyển khối lượng m1 m2 - Kết đạt được: Tác giả đưa mơ hình tính tốn búa rung hạ cọc mô tả lý thuyết chế hoạt động hệ búa rung - cọc - đất trình làm việc gồm trình rung trượt, phân tích chế tương tác lực cản đất lên cọc trình làm việc, tác giả chưa đề cập đến phương pháp tính tốn thành phần lực cản 13 - Loại - Hệ phương trình chuyển động hệ: búa: - Mơ hình tính: Khơng đề cập z1 MZ + CZ + KZ = Q m1 K S - Loại cọc: Không đề cập 0,5me 0,5me (m1 + mc) z2 Pkt = Pkt0.Sin(t) RS Rt a) - Loại đất: Không đề cập z RS NS dz z Rt b) m1, m2, mc: Khối lượng khung treo, thân búa cọc; z1, z2: Dịch chuyển khung treo cọc; S, K: Hệ số độ cứng hệ số giảm chấn; Rt, Rs: Lực cản mũi, lực cản thành cọc; Pkt: Lực rung động - Phương pháp nghiên cứu: Nghiên cứu lý thuyết - Mơ hình đất: Khơng đề cập giả tài liệu [8] - Phương pháp nghiên cứu: Nghiên cứu lý thuyết [11] Loại - Kết đạt được: Các tác giả xây dựng mơ hình động lực học cho hình đất tác giả Svetlana Polukoshko [56], thành phần lực cản thành xác định thông qua áp lực ngang đất theo chiều sâu hạ cọc hệ số thực nghiệm kể đến suy giảm thành phần tác dụng lực rung động Kết ứng dụng để xác định thông số động lực học toán hạ cọc ống thép vào đất búa rung, với giả thiết coi cấu trúc địa chất đồng có tính đàn hồi, chưa xét đến tính chất dẻo nhớt đất bị rung động thông số đất đưa vào mô hình đơn giản hóa búa: - Mơ hình tốn: Sử dụng mơ tình tốn tác - Phương trình chuyển động hệ: Khơng đề cập - z mg S -S ; Q= ; Z= -S S z (m +mc )g+ Fi toán hạ cọc thép búa rung sở phát triển mơ hình tốn mơ x Loại K= Fi =Pkt -R t -R s [8] - m K -K M= ; ; C= -K K (m +mc ) cọc: - Mô hình đất: Khơng đề cập Khơng đề cập m1 z1 K ( z1 z2 ) S ( x1 z2 ) m1 g P0 ( m m ) z K ( z z ) S ( z z ) (m m ) g P R R c 2 2 c kt s t - Hàm chi phí lượng q trình hạ cọc: 14 t - Loại đất: A Không đề cập A z Fi z2 dt max z max Với: F P F (m m ) g i kt kc c - Kết đạt được: Tác giả giải tốn hạ chìm cọc ống thép vào đất ngồi đảo để xác định thơng số động lực học với giả thiết coi đất có tính đàn hồi, sở toán động lực học hệ, tác giả xây dựng công thức xác định chi phí lượng q trình hạ cọc để đánh giá chi phí lượng riêng cho q trình hạ cọc búa rung - Loại búa rung: - Mô hình tính: m1.z1 (S1 S2 ).(z1 - z ) Pkt0 sin(t) m1.g m z S1 (z - z1 ) S3 (z - z3 ) m g - R smax sign(z) m z S (z - z ) R t 3 3 Búa rung va rung loại nhỏ (trọng lượng búa nhỏ 100 [13] - Phương trình chuyển động hệ: Trong đó: kg) Pkt0.sin(t): Lực rung động búa; - Loại cọc: Cọc Rsmax: Biên độ lực ma sát thành cọc; tràm đường kình - Kết đạt được: Tác giả đã xây dựng mơ hình động lực học gồm cọc 70-80 mm, khối lượng búa - cọc - "nút đất" để giải toán hạ cọc tràm vào đất chiều dài cọc tối yếu (sét dẻo cát bụi) búa rung va rung loại nhỏ 100 kg đa m - Loại đất: m1, m2, m3: Khối lượng búa, cọc "nút đất"; Pkt: Lực Nền đất yếu rung động; S1, S2, S3: Lần lượt độ cứng lò xo, độ Nam (sét dẻo cứng đe độ cứng đàn hồi đất; Rt: Lực kháng mũi khu vực Nam Việt Nam Với mô hình này, tác giả quan tâm đến ảnh hưởng thành phần lực cản đất tác dụng lên cọc chế tương tác chúng với cọc 15 cao cát bụi) cọc; RS: Lực ma sát thành cọc; z1, z2, z3: Lần lượt chuyển vị búa, cọc "nút đất" - Phương pháp nghiên cứu: Kết hợp nghiên cứu lý thuyết nghiên cứu thực nghiệm - Mơ hình đất: Khơng đề cập - Loại búa rung: - Phương trình chuyển động hệ: - Mơ hình tính: Búa rung điện B-1 Pkt02Sin(t) m2 m2 z K (z - z1 ) S2 (z - z1 ) Pkt 02 Sin(t) m.z1 K1.z1 - K (z - z1 ) S1.z1 - S2 (z - z1 ) Pkt 01.Sin(t) R s z2 O2 - Loại cọc: Cọc m = m1+m3 Pkt01Sin(t) m1 bê tơng tròn đường kính 600 - Kết đạt được: Tác giả nghiên cứu tốn dao động q trình z1 m3 hạ cọc bê tông vào đất cát đất sét hai búa rung nối ghép với O1 800 mm [9] Với: K2 S nhau, từ tác giả trình hạ cọc vào đất búa rung phụ h2 thuộc vào biên độ tần số rung động hệ hay phụ thuộc vào tính chất - Loại đất: RS h1 lý đất, thông số cọc thông số búa rung Tác giả Cát sét đồng coi cọc cứng tuyệt đối, môi trường đất xem môi trường đàn hồi vật rắn lực cản đất lên cọc hàm tuyến tính dịch S K1 chuyển vận tốc dao động, lực cản tồn đoạn tiếp xúc cọc với đất - Phương pháp nghiên cứu: Kết hợp nghiên cứu lý thuyết nghiên cứu thực nghiệm - Mơ hình đất: Coi đất mơi trường đàn hồi vật rắn đươc đặc trưng phần tử đàn hồi phân tử cản nhớt 16 Nhận xét: Từ cơng trình nghiên cứu tác giả nước, thấy: - Một số tác giả nghiên cứu động lực học trình hạ cọc búa rung quan điểm toán học hạ (cứng tuyệt đối đàn hồi) vào môi trường đất đàn hồi [4], [9], nên không mô tả chế ứng xử phức tạp môi trường đất tác dụng lực rung động - Một số tác giả nghiên cứu xây dựng mơ hình giải tốn động lực học q trình hạ cọc búa rung qua mơ hình học khối lượng, có quan tâm đến thành phần lực ma sát thành bên theo chiều sâu hạ cọc [29] hay mơ hình búa rung nối cứng với cọc mơi trường đất có tính đàn - dẻo [3] Các tác giả xây dựng công thức lý thuyết xác định thành phần lực cản đất lên cọc dạng lực tĩnh chưa đưa phương pháp tính tốn thành phần lực cản q trình làm việc (chưa xây dựng mơ hình đất phương trình tốn thành phần lực cản) - Một số tác giả nghiên cứu xây dựng mơ hình động lực học [13] phân tích lựa chọn mơ hình động lực học tác giả giới [8], [11], [18] áp dụng cho trường hợp cụ thể, từ đưa kiến nghị q trình tính tốn, thiết kế hay khai thác sử dụng búa rung hạ cọc với giả thiết coi cọc cứng tuyệt đối, đất coi đồng lớp môi trường đàn hối tuyến tính, tức bỏ qua tính đàn - dẻo - nhớt môi trường đất chưa quan tâm đến thay đổi thành phần lực cản động đất với cọc rung Có tác giả tiến hành nghiên cứu thực nghiệm mô hình thực nghiệm thu nhỏ [13], kết thu sai khác nhiều so với thực tế khó so sánh, kiểm chứng đánh giá với kết lý thuyết - Việc nghiên cứu trình hạ cọc ván thép búa rung điều kiện địa chất có cấu trúc nhiều lớp vùng miền cụ thể Việt Nam đến chưa có tác giả quan tâm chưa có cơng trình đề cập đến Từ cho thấy, nước ta cơng trình nghiên cứu tính tốn q trình hạ cọc búa rung đến thiếu hạn chế Vì vậy, nghiên cứu q trình hạ cọc ván thép vào đất nhiều lớp búa rung có quan tâm đến việc xác định thành phần lực cản động đất với cọc dựa mơ hình tương tác “các lớp đất - cọc” trình làm việc nội dung hoàn toàn chưa đề cập cơng trình nghiên cứu 1.1.2.2 Các cơng trình nghiên cứu ngồi nước: Nghiên cứu q trình hạ cọc búa rung nhiều tác giả giới quan tâm với nhiều cách tiếp cận khác 17 Sự khác biệt nghiên cứu khơng mơ hình tính tốn mà phương pháp xác định thành phần lực cản động đất với cọc hay thông số địa kỹ thuật đưa vào tính tốn Để phân tích, đánh giá tổng quát kết quả, hạn chế cơng 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 cơng trình nghiên cứu Savinov Luskin đề cập [46], tác giả sử dụng thông số thực nghiệm thông số vi phân lý thuyết (tỷ lệ gia tốc, vận tốc, lực cản đất, hệ số đất, hệ số vật liệu cọc áp lực mũi cọc) để xác định thông số búa rung với giả thiết coi cọc cứng tuyệt đối Phương pháp xây dựng dựa hệ số kinh nghiệm nên tính tốn đơn giản, chưa quan tâm đến hiệu suất cơng có ích, ảnh hưởng tần số rung đến trình hạ cọc chưa coi vận tốc hạ cọc thông số cần xác định - Phương pháp cân lượng: Theo phương pháp này, để hạ cọc vào đất lượng búa rung tạo tối thiểu phải với lượng tiêu thụ để khắc phục lực cản đất tác dụng lên cọc, từ xác định sức kháng đất tốc độ hạ cọc trung bình biết trước thông số búa rung, tác giả điển Davisson [53], Warrington [71, 72], Wang [45, 69] - Phương pháp cân lực: Bằng việc xác định công suất búa rung có thành phần lực cản tác dụng lên cọc trình hạ cọc, sử dụng để so sánh biên độ lực kích thích với biên độ lực cản tác dụng lên cọc, không xác định tốc độ hạ cọc Điển phương pháp Beta Jonker đề cập [46] xác định khả hạ cọc búa rung dựa kinh nghiệm tác giả thu dự án hạ cọc ống thép đường kính lớn búa rung ngồi biển, hay phương pháp Tünker Warrington đề cập [71] xác định lực rung động búa rung biết trước loại cọc loại đất - Phương pháp bảo toàn động lượng: Dựa lý thuyết cân xung lượng lực cản động đất lên cọc với động lượng tổng khối lượng hệ tạo chu kỳ, để xác định tốc độ hạ cọc, tác giả điển hình Schmid đề cập [60] - Phương pháp truyền sóng đề cập [38], [46], [52], [64]: Bằng việc xây dựng giải hệ phương trình vi phân chuyển động hệ theo thời gian để xác định thông số q trình hạ cọc Theo phương pháp kể đến mơ hình truyền sóng dọc chiều sử dụng để phân tích q trình hạ cọc búa chấn động, với giả thiết thành phần lực cản tác dụng lên cọc hàm chuyển vị, vận tốc dịch 18 chuyển cọc sức kháng tối đa đất theo thời gian, có kể đến tương tác cọc đất Smith thể qua mơ hình phân tử đàn hồi (lò xo) - phần tử trượt (sức kháng tối đa) phân tử giảm chấn (cản nhớt), nhiên tác giả không công bố thông tin liên quan đến giá trị thông số đặc trưng đất cách sử dụng thông số tính tốn Các tác giả điển hình theo phương pháp gồm Isaacs (1931), Smith (1960), Chua (1987), Gardner (1987), Middendorp (1987), Moulai-Khatir (1994) Vanden Berghe (2001) Hình 1.11 Mơ hình truyền sóng Gardner (1987) - Phương pháp tích phân hệ phương trình chuyển động đề cập [46], [39], [43], [56], [63]: Phương pháp tác giả Holeyman (1996), Vanden Berghe (1997), De Cock (1998), Dierssen (1994), Vanden Berghe (2001), Viking (2002) Svetlana Polukoshko (2010) nghiên cứu để xây dựng phương trình chuyển động hệ dựa nguyên lý D'Alembert Lagrange Sau tiến hành tích phân phương trình chuyển động để xác định thông số như: gia tốc, vận tốc, chuyển vị, tốc độ hạ cọc… theo thời gian Phương pháp có nhiều ưu điểm so với phương pháp phân tích như: Có thể xây dựng hệ phương trình tốn mơ tả q trình làm việc hệ, từ ứng dụng chương trình tính tốn xác định thông số làm việc hệ theo thời gian; mơ q trình tương tác cọc với đất trình làm việc mơ hình đất (thơng qua hàm tốn học), từ xác định thành phần lực cản động đất tác dụng lên cọc chu kỳ tác dụng lực rung động, nhờ có kết tính tốn với thực tế Với lý nên phương pháp nhiều tác giả giới sử dụng để nghiên cứu tốn hạ cọc búa rung Vì vậy, luận án tập trung phân tích, đánh giá chi tiết nghiên cứu bật phương pháp tổng hợp bảng 1.4 19 Bảng 1.3 Bảng tổng hợp cơng trình nghiên cứu ngồi nước q trình hạ cọc búa rung theo phương pháp tích phân Loại búa, loại Tài liệu cọc loại Mô hình tính, phương pháp nghiên cứu mơ hình đất Phương trình chuyển động kết đạt đất - Loại búa: Búa - Mơ hình tính: - Phương trình chuyển động hệ: rung dẫn động z.md =Me ω2 sin(ω.t)+g.mtong -R t -R s -R c điện Trong đó: z : Gia tốc dịch chuyển hệ, m/s2; - Loại cọc: Cọc mtong: Tổng khối lượng hệ, kg; ván thép md: Khối lượng phần rung hệ, kg Me: Mô men tĩnh lệch tâm, kg; - Loại đất: : Tần số dao động, rad/s; Đất không dính [46] Rt, Rs, Rc: Lần lượt lực cản mũi cọc, lực cản thành cọc, lực ma (đất cát) đồng sát khóa cài cọc với cọc, N lớp - Kết đạt được: Đã phân tích đưa vào mơ hình đất để xây - Phương pháp nghiên cứu: Kết hợp nghiên cứu lý thuyết dựng phương trình tốn cho lực cản thành lực cản mũi cọc (phương pháp tích phân phương pháp số) nghiên cứu thực tác dụng tải trọng chu kỳ búa rung tạo từ xác định nghiệm thơng số làm việc hệ - Mơ hình đất: Đã xây dựng mơ hình động đất từ xây dựng phương trình tốn xác định thành phần lực cản đất tác dụng lên cọc trình hạ cọc búa rung [46] - Loại búa - Mơ hình tính: - Phương trình chuyển động hệ: 20 rung: Búa rung z(t) dẫn động điện - Loại cọc: Cọc g.m tong M e 2 sin(.t) 2..i.ri h i i (t) R t m2 Trong đó: z(t) : Gia tốc dịch chuyển cọc, m/s2 ; ống thép mtong: Tổng khối lượng búa cọc, kg; m2: Khối lượng phần rung, kg; - Loại đất: Me: Mô men tĩnh, kg.m; Đất không dính : Tần số góc, rad/s; (đất cát) đồng ri: Bán kính tương đương cọc (chu vi/2), m; lớp hi: Chiều sâu cọc, m; i: Lực cắt đơn vị bề mặt tương tác cọc đất, kN/m2; Rt: Sức kháng động mũi cọc, kN - Kết đạt được: Đã xây dựng mơ hình tính tốn tốn hạ cọc ống thép vào đất khơng dính (đất rời) đồng lớp búa rung Đã phân tích đưa vào mơ hình đất để xây dựng phương trình tốn cho lực cản thành lực cản mũi cọc tác - Phương pháp nghiên cứu: Kết hợp nghiên cứu lý thuyết dụng tải trọng chu kỳ búa rung tạo quan tâm đến quy (phương pháp tích phân phương pháp số) nghiên cứu thực luật thay đổi chúng thời điểm chu kỳ tải nghiệm trọng, kết hợp với nghiên cứu thực nghiệm để đưa số hệ số - Mơ hình đất: Đã xây dựng mơ hình động đất từ điều chỉnh, từ cho phép xác định thông số xây dựng phương trình tốn xác định thành phần lực toán cản đất tác dụng lên cọc trình hạ cọc búa rung [46] - Loại búa - Mơ hình tính: - Phương trình chuyển động hệ: 21 (m2 mc ).z (m1 m2 mc ).g P0 Me 2 Sin(.t) R s R t rung: Búa rung dẫn động thủy Trong đó: lực M2: Khối lượng phần động búa, kg; - Loại cọc: Cọc mc: Khối lượng phần má kẹp cọc, kg; ván thép z : Gia tốc dịch chuyển hệ búa - cọc, m/s2; P0: Lực tĩnh tác dụng lên búa rung, N; - Loại đất: g: Gia tốc trọng trường, m/s2; Đất khơng dính : Vận tốc góc búa rung, rad/s; (đất cát) đồng Me: Mô men lệch tâm, kg.m; lớp t: Thời gian tính, s; Rs: Lực cản động đất lên thành cọc, N Rt: Lực cản động đất lên mũi cọc, N - Kết đạt được: Ứng dụng hai chương trình mơ hai tác giả Vibdrive Vipere để mô toán hạ cọc ván thép vào đất cát đồng lớp, sau dùng kết trình thực nghiệm để kiểm chứng so sánh với kết mô để đưa đánh giá áp dụng mơ hình tác giả mô - Phương pháp nghiên cứu: Kết hợp nghiên cứu lý thuyết (phương pháp tích phân phương pháp số) nghiên cứu thực nghiệm - Mơ hình đất: Tác giả ứng dụng mơ hình đất hai tác giả Vipere Vibdrive 22 - Loại búa - Mơ hình tính: - Phương trình chuyển động hệ: rung: Không m tong z=m tong g-R ssign(z)-R t -Pkt0sin(ω.t) đề cập R s = χ.γ.z.λ a f η dz = χ.γ z z2 λ a f η 0,5.A t (σ +Δσ z ), z>0 Rt = z 0, - Loại cọc: Cọc ván thép Trong đó: - Loại đất: mtong: Khối lượng tổng hệ, kg; Nền đất cát ướt Rs, Rt: Lực cản thành cọc lực cản mũi cọc, N; đồng : Vận tốc góc, rad/s; lớp , At: Chu vi cọc (m) diện tích mặt cắt cọc, m2; : Trọng lượng riêng đất, N/m3; [56] a: Hệ số áp lực hiệu đất; - Phương pháp nghiên cứu: Nghiên cứu lý thuyết (phương pháp tích phân) - Mơ hình đất: Sử dụng mơ hình biến dạng dẻo f: Hệ số ma sát phụ thuộc vào hệ số gia tốc =a/g; 0: Ứng suất nén tĩnh đất mũi cọc, N/m2 z: Áp lực cột đất chiều sâu z, N/m2 thành phần lực cản thành lực cản mũi cọc đất bề mặt - Kết đạt được: Tác giả cho trình hạ cọc vào đất tiếp xúc cọc đất khu vực xung quanh cọc, trình học phức tạp với tượng làm thay giả thiết lực cản bề mặt cọc với đất lực cản ma sát khô, đổi cấu trúc đất xung quanh thân cọc trình hóa lỏng lực cản động bề mặt cọc không phụ thuộc vào chiều sâu chúng làm giảm lực ma sát bề mặt tiếp xúc đất với hạ cọc, từ xây dựng phương trình tốn cho thành cọc Từ tác giả tiến hành phát triển mơ hình tính sức cản đàn hồi (thành mũi cọc) đất có kể đến thay đổi đặc tính phần lực cản lý đất để xác định chiều sâu hạ cọc tối đa loại búa cụ thể cho trước, thông số khác hệ 23 Nhận xét: Từ cơng trình nghiên cứu nước ngồi cơng bố, thấy: - Các cơng trình nghiên cứu giới đến chủ yếu tập trung vào vấn đề chính, gồm: nghiên cứu khả hạ cọc búa rung (xác định chiều sâu tốc độ hạ cọc cho trước loại búa loại đất cụ thể) [12],[42],[58],[68]; nghiên cứu ảnh hưởng trình hạ cọc búa rung đến môi trường xung quanh (phần lượng tổn thất hệ truyền môi trường đất xung quanh, cường độ mức độ phá hoại cơng trình phụ cận) [57],[62]; nghiên cứu sức chịu tải cọc (đánh giá sức chịu tải dài hạn cọc hạ búa rung ảnh hưởng trình rung hạ cọc đến khả chịu tải dài hạn cọc) [12],[33],[34],[60],[61] - Quá trình hạ cọc búa rung nhiều tác giả tồn nhiều hạn chế, q trình tính tốn chưa phản ánh đầy đủ với trình làm việc thực tế Đây trình phức tạp phụ thuộc vào nhiều yếu tố (các thông số búa rung, đất cọc) kết hạn chế sai số tương đối lớn so với thực tế [46] Đó lý đến lĩnh vực nhiều nhà khoa học giới quan tâm tiến hành nghiên cứu - Nghiên cứu trình hạ cọc búa rung vào đất trình phi tuyến phức tạp, nên cơng trình nghiên cứu cơng bố, hầu hết tác giả giả thiết đất coi đồng lớp để hạn chế bớt mức độ phức tạp đơn giản hóa q trình tính tốn [46],[47],[39]…, điều lý giải kết nghiên cứu trình hạ cọc vào đất búa rung đến sai số lớn (thể khoảng giá trị biến đổi rộng hệ số thực nghiệm) Mặt khác, điều kiện địa chất vùng miền khác khác nên khó đưa kết nghiên cứu chung cho trường hợp điều kiện địa chất, nghĩa loại đất, với điều kiện địa chất cụ thể cần phải nghiên cứu xác định hệ số điều chỉnh cho phù hợp Từ cho thấy, chưa có cơng trình nghiên cứu ngồi nước đề cập đến việc nghiên cứu tính tốn trình hạ cọc ván thép búa rung vào đất nhiều lớp, có quan tâm đến q trình tương tác cọc ván thép với lớp đất để xác định thành phần lực cản động lớp đất lên cọc ván thép trình làm việc 24 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 1.2.1 Phân tích q trình hạ cọc chế tương tác đất với cọc toán hạ cọc ván thép vào đất nhiều lớp lực rung động 1.2.1.1 Phân tích q trình hạ cọc ván thép búa rung MỈt ban đầu Đất Cọc ván thép ún Mặt đất bị rungđộng gl dạn iến hép b t bị ền ván t n ọc Mặ i hạ c kh Lực cản suy giảm Hiện t-ợng hóa lỏng đất xung quanh cọc ván thép Đất Mũi cọc 1 11 Máy sở Mãc treo bóa Khung treo Th©n bóa rung thđy lùc M¸ kĐp cäc Cäc v¸n thÐp Hình 1.12 Tổng thể trình hạ cọc ván thép búa rung Quá trình hạ cọc ván thép búa rung lắp cần trục sở thể hình 1.12 Ở đó, búa rung treo cáp tời nâng chính, nguồn dầu thủy lực dẫn động búa rung trích từ cần trục sở Khi làm việc, cọc ván thép tời phụ nâng lên giữ thẳng, điều chỉnh búa rung để má kẹp búa rung kẹp lấy đầu cọc ván thép, sau nhả cáp tời phụ dùng tời để nâng tồn búa rung cọc ván thép vào vị trí hạ cọc Cho búa rung hoạt động, lực rung động búa rung tạo truyền qua cọc ván thép làm cọc ván thép xuống vào đất Trong q trình đó, phần lượng búa rung tạo truyền qua cọc ván thép vào đất, kích thích hạt đất dao động, tùy thuộc vào cấu trúc loại đất tạo chế tương tác môi trường đất xung quanh cọc ván thép (trạng thái hóa lỏng với loại đất cát [33], [34], [43] trạng thái chảy lỏng với loại đất sét [59] ), nhờ mà thành phần lực cản lớp đất cọc ván thép giảm [41]; phần lượng lại búa rung tạo lực ấn 25 cọc, giá trị lực ấn lớn tổng lực cản động đất tác dụng lên cọc cọc bắt đầu xuống Như trình hạ cọc, lượng búa rung sử dụng để thực hai nhiệm vụ [67], [75], cụ thể: - Truyền lượng dạng sóng dao động vùng đất xung quanh cọc ván thép, làm cho hạt đất khu vực xung quanh cọc bị dao động, áp lực nước lỗ rỗng tăng lên, phá vỡ liên kết hạt tạo vùng giảm lực xung quanh cọc, kết chu kỳ lực rung động Cơ chế hoạt động hệ “Búa rung - Cọc ván thép - t nhiu Thân búa phân gây rung m2 Biên độ lùc kÝch thÝch O mc 1( 1 Rs1 1 Rs2 lớp”được thể hình 1.13, Rsi T(i+1)/4 T(i+1) T(i+1)/2 Thời gian (t) 3T(i+1)/4 Biên độ lực kÝch thÝch Líp Líp Líp i 1 hi P0 lực căng cáp nâng i( T(i)/2 3T(i)/4 M¸ kĐp cäc 1( T(i) T(i)/4 Pkt h1 chuyển dần vào đất theo m1 h2 thép, làm cọc trượt dịch Khung treo Pkt đất tác dụng lên cọc ván Tỉng khèi l-ỵng cđa hƯ, mtong = m1 + m2 +mc thép để thắng lc cn ng P0 Khối l-ợng động, md = m2 + mc - Tạo lực ấn lên cọc ván Khèi l-ỵng bóa rung, mb = m1+m2 làm giảm lực cản đất lên cọc ván thép tác dụng lực rung động Rti búa rung (nếu có); tổng khối lượng búa rung mb = m1 + m2, Hình 1.13 Cơ chế hoạt động hệ “Búa rung - Cọc ván thép - Đất nhiều lớp” tổng khối lượng hệ mtong = m1 + m2 + mc, với m1, m2, mc khối lượng khung treo búa rung, khối lượng thân búa (gồm khối lượng má kẹp cọc) khối lượng cọc ván thép Lực rung động khối lượng lệch tâm búa rung tạo Pkt; Nền đất vị trí hạ cọc gồm lớp đất khác nhau, có chiều dày h1, h2, , hi, lực cản động lớp đất tác dụng lên thành cọc mũi cọc Rs1, Rs2, , Rsi Rt1, Rt2, , Rti Từ hình 1.13 ta thấy, cọc ván thép dịch chuyển vào lớp đất, tính chất lý lớp đất khác nên chế tương tác đất xung quanh cọc lớp đất khác Vì vậy, việc quan trọng toán hạ cọc ván thép vào đất nhiều lớp búa rung xây dựng phương pháp tính tốn để xác định thành phần lực cản động lớp đất lên cọc ván thép theo chiều sâu dịch chuyển cọc lớp đất đó, từ xác định tổng trở lực cản động đất lên cọc ván thép theo chiều sâu hạ cọc 26 1.2.1.2 Phân tích trình tương tác cọc ván thép đất nhiều lớp hạ cọc lực rung động Dưới tác động lực rung động búa rung tạo ra, cọc ván thép dao động theo phương thẳng đứng, vùng đất xung quanh thân cọc nhận lượng lực rung động truyền từ cọc ván thép Theo [46], [70], vùng đất chịu tác dụng lực động có tính chất chu kỳ ứng suất biến dạng cắt đất biến đổi theo quy luật hình 1.14, đồng thời đất phía mũi cọc bị nén có dạng chuyển động đối lưu cọc ván thép dao động Với chế tương tác vậy, nên lực cản động thành cọc, mũi cọc hàm quan hệ ứng suất biến dạng đất, tính chất lý đất yếu tố quan trọng Hình 1.14 Quan hệ ứng suất-biến dạng đất dạng hyperbolic chịu tải lặp Từ trình nghiên cứu chế tương tác đất tác dụng tải trọng chu kỳ theo kết thí nghiệm nén trục cắt cánh trường cho thấy, mối quan hệ phức tạp biến dạng lớn - lực động mối quan hệ ứng suất - biến dạng cắt chịu tải chu kỳ Hình 1.14 thể ứng xử đất biên độ biến dạng chu kỳ c thay đổi, Gmax mô đun cắt ban đầu (mô đun tiếp tuyến), c ứng suất cắt ứng với biến dạng c, Gs mô đun cắt cát tuyến hệ số giảm chấn trễ Trong đó: W 2 c c (1.1) W: Lượng lượng tổn thất chu kỳ Gs thông số phụ thuôc vào biến dạng, max ứng suất cắt lớn tương ứng với biến dạng lớn nhất, max Gmax giảm theo số chu kỳ lặp tải Mô đun cắt biến dạng nhỏ cường độ cắt lớn (Gmax max) xác định 27 phòng thí nghiệm khơng phản ánh tình trạng thực tế đất bị biến dạng lực rung động nên hiên giá trị xác định từ kết thí nghiệm xuyên tĩnh trường (CPT) cho phép xác định giá trị sát với giá trị thực a Quy luật suy giảm đất chịu tác dụng tải động chu kỳ Theo [12], [66] tác dụng số chu kỳ biến dạng lớn đất khơng nước, cấu trúc đất liên tục bị phá vỡ, áp lực nước lỗ rỗng tăng lên mô đun cát tuyến giảm theo số chu kỳ tải, tượng tượng "suy giảm độ cứng chu kỳ" Khi biến dạng lớn (c > 10-2), suy giảm liên tục đất mỏi đất dính (sét) suy giảm ứng suất hiệu đất dạng hạt (cát, sỏi) áp lực nước lỗ rỗng tăng lên, dẫn đến độ cứng đất bị giảm hệ số giảm chấn tăng lên hình 1.14, đất có số dẻo lớn dễ suy giảm [27] Vucetic Dobry (1991) [6] rằng, loại đất cát sét không dẻo dễ bị suy giảm hạt xếp lại liên kết hạt tải rung động; đất sét, liên kết hạt đất chắn nên giữ đặc tính đàn hồi đến mức biến dạng lớn bị nhạy cảm với suy giảm độ cứng chu kỳ b Hiện tượng hóa lỏng (theo [5], [35], [36], [43], [46]) - Trong điều kiện bão hòa: Khi hạ cọc ván thép lực rung động vào đất cát bão hòa nước làm cho hạt đất xung quanh thân cọc nhận lượng dao động, chúng xếp lại làm thể tích giảm, đồng thời làm tăng áp lực nước lỗ rỗng đất theo chu kỳ tải trọng động, mà áp lực nước lỗ rỗng đủ lớn lớn trọng lượng hạt đất (ứng suất hiệu giảm dần đến không) làm cho chúng bị đẩy làm phá vỡ liên kết hạt dẫn đến cấu trúc đất bị phá vỡ, làm giảm hoàn toàn khả chịu lực đất - Trong điều kiện khơ trường hợp nước: Sự giảm ứng suất cắt loại đất có tính hạt chịu tác động lực rung với gia tốc lớn Barkan đề cập đến năm 1962 [40] Theo đó, đất sét, ứng suất cắt liên quan chặt chẽ đến lực kháng cắt điểm tiếp xúc hạt thể hình 1.15, liên kết điểm tiếp xúc hạt suy giảm ứng suất cắt gọi hóa lỏng động Từ nghiên cứu thực nghiệm [40], phân chia làm giai đoạn khác sau: - Giai đoạn biến dạng đàn hồi (a < 0,6g) - Giai đoạn chuyển trạng thái (0,7g a 1,5g), giai đoạn này, ứng suất cắt 28 suy giảm - Giai đoạn hóa lỏng (a > 1,5g) Theo nghiên cứu Denies (2010), cát khơ có hai trạng thái hóa lỏng động gồm trạng thái làm chặt (a < g) trạng thái hóa lỏng động (a > g), a g gọi giai đoạn Hình 1.15 Dịch chuyển tương đối hạt theo mức biến dạng cắt [40] c Tương tác bề mặt cọc với bề mặt đất chuyển đổi không ổn định Hình 1.16 Sơ đồ phân vùng ứng xử đất xung quanh cọc ván thép hạ lực rung động, Denies (2010) Trong trình hạ cọc ván thép vào đất, lực cản động đất lên cọc ván thép phụ thuộc nhiều vào tương tác đất với cọc phụ thuộc vào lượng lượng truyền đi, dạng sóng lượng truyền vị trí truyền lượng (tại thành cọc hay mũi cọc), phụ thuộc vào tính chất lý đất loại đất, mức bão hòa, số lượng lớp đất chiều dày lớp, thông số nguyên lý hoạt động búa rung Trong vùng đất sát bề mặt cọc, trình tương tác đất bề mặt cọc vấn đề chưa rõ ràng chưa có lý thuyết tính tốn Denies (2010), kiến nghị chia vùng đất xung quanh cọc hình 1.16, vùng khơng chịu ảnh hưởng, đất biến dạng theo mơ hình đàn hồi tuyến tính, mơ đun cắt đất khơng đổi nhận sóng dao động Tại vùng lân cận, đất biến dạng theo mơ hình phi tuyến, mơ đun cắt đất giảm dần Dọc theo bề mặt cọc ván thép gọi vùng chuyển động đối lưu, 29 mô đun trượt vùng khó xác định, mặt khác vùng tượng trượt đất bề mặt cọc ván thép xảy Qua phân tích q trình tương tác đất với cọc ván thép hạ cọc búa rung cho thấy, trình phức tạp phụ thuộc vào nhiều yếu tố yếu tố liên quan đến búa rung (tần số, biên độ, vận tốc lực rung động), yếu tố liên quan đến đất (loại đất, trạng thái đất, thành phần hạt, tính chất lý đất ) yếu tố cọc ván thép (loại cọc, thông số đặc trưng mặt cắt cọc bề mặt cọc) Trong đó, thông số búa rung đất thông số quan trọng định đến tương tác đất với đất hay đất với cọc khu vực xung quanh cọc, từ đưa sở lý thuyết tính tốn thành phần lực cản động loại đất lên cọc ván thép trình hạ cọc ván thép búa rung 1.2.2 Lựa chọn mơ hình đất phương trình toán xác định lực cản động lớp đất lên cọc ván thép chịu tải trọng rung động 1.2.2.1 Một số mơ hình đặc tính đất [14]: Đất hệ ba pha, rời rạc, có tính thấm khơng đồng nhất, việc nghiên cứu tính chất học đất phức tạp nghiên cứu đất không đơn giản hóa Tùy vào mục đích nghiên cứu mà đưa mơ hình đơn giản hóa gọi mơ hình học đất Trong học đất thường dùng số mơ hình như: - Mơ hình đàn hồi tuyến tính đẳng hướng: Đây mơ hình đặc tính đất mà ngày sử dụng ứng dụng địa kỹ thuật, mơ hình dựa sở định luật Hook, mơ đặc tính đất vật liệu đàn hồi tuyến tính - Mơ hình đàn hồi - dẻo: Mơ hình dựa sở định luật Hook kết hợp với tiêu chuẩn phá hoại Mohr - Coulomb nên gọi mơ hình Mohr-coulomb - Mơ hình đàn hồi phi tuyến: Mơ hình đàn hồi phi tuyến dùng để mơ tình trạng biến dạng khơng tuyến tính sau bị chảy dẻo, bỏ qua ảnh hưởng nhân tố quan trọng đường ứng suất - Mơ hình đàn- dẻo- nhớt: Theo mơ hình đàn - dẻo - nhớt, tác động tải trọng, biến dạng đất thay đổi theo thời gian, tải trọng tác dụng không đổi thời gian dài biến dạng khơng phải số Một số dạng mơ hình đàn - dẻo nhớt sử dụng như: mơ hình đàn - nhớt, mơ hình đàn - nhớt- dẻo, mơ hình dàn - nhớt- dẻo phi tuyến 30 1.2.2.2 Mơ hình tốn xác định lực cản động đất lên cọc thép Đã có nhiều cơng trình nghiên cứu cho thấy lực cản động đất lên cọc ván thép yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến trình hạ cọc, lực cản động tác dung lên cọc ván thép gồm hai thành phần lực cản động thành cọc (Rs) lực cản động mũi cọc (Rt) [36], [40], [41], [46], [56], [70], [74] Dưới tác động tải trọng chu kỳ, thành phần lực cản có quy luận thay đổi thể hình 1.17 Hình 1.17 Sơ đồ mô tả dịch chuyển cọc ván thép (a), lực cản động thành cọc (b) lực cản động mũi cọc (c) Đến giới có số tác giả xây dựng mơ hình đất mơ hình tốn để xác định thành phần lực cản động đất tác dụng lên cọc thép tác dụng lực rung động, điển mơ hình Karlsruhe, mơ hình Vipere mơ hình Vibdrive đề cập [46]; mơ hình Seung-Hyun Lee [49], mơ hình Svetlana Polukoshko [56]; mơ hình Alain Holeyham đề cập [44], [65]…, số mơ hình thấy mơ hình Vibdrive Alain Holeyham có nhiều ưu điểm áp dụng cho đất cát đất sét, luận án tập trung phân tích chi tiết mơ hình - Mơ hình Vibdrive nêu [46]: Vibdrive đưa công thức xác định giá trị sức kháng động thành cọc mũi cọc đơn vị (d qd) loại đất cát dựa sở giá trị chuẩn tĩnh thí nghiệm xun (CPT - xun tĩnh) Trong trình rung hạ cọc, giá trị (d qd) phụ thuộc vào giá trị sức kháng tĩnh (qs s) giá trị sức kháng hóa lỏng đất (ql l) giảm gia tốc dao động theo hàm lũy thừa công thức 1.2 1.3 31 Cơ chế giảm cường độ thực nghiệm đất mô hình Vibdrive liên quan đến hệ số gia tốc () thể thông qua hàm mũ (e-) tương tự phương pháp Barkan (1962) Sự giảm cường độ theo hàm lũy thừa Sức kháng thành cọc mũi cọc thể sau: qd (1 e )ql +qse- (1.2) d (1 e )l +se- (1.3) Trong đó: ql: Sức kháng hóa lỏng đơn vị đất mũi cọc, kN/m2; qs: Sức kháng tĩnh đơn vị mũi cọc, kN/m2; l: Sức kháng hóa lỏng đơn vị đất dọc thành cọc, kN/m2; s: Sức kháng tĩnh đơn vị đất dọc thành cọc, kN/m2; =a/g: Tỷ suất gia tốc Cơ chế giảm cường độ thực nghiệm mơ hình Vibdrive liên quan đến ảnh hưởng việc tăng áp lực nước lỗ rỗng, mơ hình hàm mũ có chứa hệ số ma sát thơng số hóa lỏng Độ giảm cường độ theo hàm mũ liên quan đến ảnh hưởng tượng hóa lỏng thành cọc mũi cọc xác định cơng thức: Trong đó: Rf q l qs (1 )e + (1.4) Rf l s (1 )e + (1.5) : Hệ số hóa lỏng thực nghiệm, < (1/) < 10; Rf: Tỷ lệ sức kháng (fs/qc*100) thu từ kết thí nghiệm CPT, % - Mơ hình Alain Holeyham đề cập [65], [44]: Lực cản động đất sét lên cọc thu từ trình nội suy giá trị sức kháng tĩnh sức kháng suy giảm cuối Giá trị tĩnh (qs, s) thu từ kết thí nghiệm CPT Sức kháng động chảy lỏng đơn vị xác định dựa quy luật hàm mũ sau: FR q l qs (1 / )e +1 / (1.6) FR l s (1 / )e +1 / (1.7) 32 Trong đó: : Hệ số chảy lỏng thực nghiệm lấy khoảng < < 10; FR: Tỷ lệ sức kháng thu từ kết thí nghiệm CPT, % Hình 1.18 Sự thay đổi sức kháng thành cọc (a) sức kháng mũi cọc (b) theo chuyển vị cọc Lực cản động đơn vị (qd, d) thu từ lực cản tĩnh sức kháng chảy lỏng phụ thuộc vào biên độ rung: qd (qs ql )e ql (1 8) d (s l )e l (1.9) Sức kháng đất mũi cọc coi gồm nhiều pha khác phụ thuộc vào tương quan vị trí cọc đất hình 1.18 Nhận xét: Qua q trình phân tích mơ hình tốn xác định thành phần lực cản động đất lên cọc tác dụng tải chu kỳ tác giả tiêu biểu giới cho thấy, việc mơ hình hóa q trình tương tác đất cọc chịu lực rung động để xác định thành phần lực cản động trình phức tạp thường có sai số lớn (các hệ số thực nghiệm có dải giá trị rộng) kết phụ thuộc vào điều kiện địa chất vị trí thực nghiệm (vì hầu hết mơ hình mơ hình bán thực nghiệm, tức mơ hình có hệ số thực nghiệm) Từ đó, luận án lựa chọn mơ hình Vibdrive (cho loại đất cát) mơ hình Alain Holeyham (cho loại đất sét) để xác 33 định thành phần lực cản động đất tác dụng lên cọc ván thép toán hạ cọc ván thép búa rung vào đất nhiều lớp Chương luận án, mơ hình tường minh, dễ ứng dụng phù hợp với điều kiện nghiên cứu thực nghiệm Việt Nam 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 1.3.1 Lý thuyết tối ưu thiết kế kỹ thuật Theo [28], [32], [73], [31] thiết kế kỹ thuật, tối ưu hố cơng cụ tốn học quan trọng ứng dụng để cải thiện cách hệ thống thông số thiết kế nhằm thỏa mãn mục tiêu đặt Quá trình thực thay đổi thích hợp giá trị thông số thiết kế xác định giá trị tối ưu hàm mục tiêu Trước hết, hệ thống cần tối ưu phải biểu diễn dạng tốn học Sau đó, cần xác định tiêu chuẩn thiết kế hay hàm mục tiêu đòi hỏi hệ thống phải đáp ứng Điều thường khó khăn u cầu kỹ thuật mong muốn người lúc biểu diễn hàm tốn học Do đó, để nhận hệ thống tối ưu theo u cầu đặt ra, thơng số mơ hình cần phải thay đổi nhiều lần Các thông số mơ hình gồm nhóm thơng số thiết kế (các thông số mà giá trị chúng lựa chọn phạm vi giới hạn cho trước) nhóm thơng số cố định (các thơng số có giá trị khơng thay đổi) Khi xây dựng mơ hình, xác định tiêu chuẩn lựa chọn thông số thiết kế, cần phải ý đến điều kiện ràng buộc Các ràng buộc tốn tối ưu biểu diễn miền thông số thiết kế miền mục tiêu tùy theo cách biểu diễn thuận lợi Các điều kiện ràng buộc biểu diển dạng phương trình bất phương trình, tuỳ theo tính chất yêu cầu điều kiện ràng buộc Trong kỹ thuật, trình thiết kế hệ khí kèm theo số điều kiện ràng buộc thường dẫn đến tốn tối ưu đa mục tiêu 1.3.1.1 Mơ hình hố hệ đa vật thể: Khi mơ hình hố hệ đa vật thể, để đơn giản cần sử dụng số giả thiết khí tốn học Chuyển động hệ đa vật thể biểu diễn dạng tổng quát phương trình: M(t,y).y +K(t,y,y).y +C(t,y).y =h(t,y,y) (1.10) Với y véc tơ tọa độ suy rộng hệ, M ma trận khối lượng, K ma trận hệ số cản, C ma trận độ cứng h véc tơ ngoại lực suy rộng 1.3.1.2 Thông số thiết kế: Là thơng số kỹ thuật hệ định tính chất động lực học hệ, có thông số thay đổi giá trị ràng buộc kỹ 34 thuật (được coi số thiết kế) thơng số thay đổi giá trị phạm vi giới hạn định để tạo đặc tính động lực học khác hệ chọn làm thông số thiết kế biểu diễn véc tơ thông số thiết kế: p p1, p2 , , ph h , pl p pu T (1.11) Trong đó, h số thơng số thiết kế , pl pu tương ứng véc tơ giới hạn giới hạn thông số thiết kế, pli pi pui , i h Các thông số thiết kế có ảnh hưởng trực tiếp đến tính chất động lực học hệ thống qua quan hệ động học y =v(t,y,y,p) , ma trận khối lượng M(t,y,p) , ma trận hệ số cản K (t,y,y,p) , ma trận độ cứng C(t,y,p) véc tơ ngoại lực suy rộng h(t,y,y,p) phương trình chuyển động hệ đa vật thể (1.10) 1.3.1.3 Hàm mục tiêu: Để ứng dụng lý thuyết tối ưu, tiêu chuẩn thiết kế phải biểu diễn dạng toán học Những tiêu chuẩn mà giá trị chúng có khuynh hướng giảm dần q trình tối ưu thường sử dụng làm hàm mục tiêu Vậy hàm mục tiêu tiêu chuẩn dùng để đánh giá độ thích nghi (phù hợp) thông số thiết kế 1.3.1.4 Các điều kiện ràng buộc: Trong toán thiết kế kỹ thuật thường kèm theo điều kiện ràng buộc nhằm loại bỏ nghiệm không phù hợp Điều kiện ràng buộc đẳng thức bất đẳng thức mô tả mối quan hệ thông số thiết kế khoảng xác định thông số Điều kiện ràng buộc tốn biểu diễn dạng phương trình ràng buộc: g j (p)=0, j=1÷l, (1.12) bất phương trình ràng buộc: h k (p) 0, k m, (1.13) miền giới hạn thông số thiết kế: pli pi pui , i h Các điều kiện ràng buộc xác định miền không gian khả chấp a) minh dạng hàm ẩn b) h2 ( ) < p2 p2 * h1 ( ) < thông số thiết kế Các ràng buộc biểu diễn dạng tường (1.14) P f( ) = const f * g1( ) = P f( ) = const h1 ( ) < p1 f p1 thơng số thiết kế Điều kiện ràng Hình 1.19 Miền khả chấp thông số thiết kế a) Khơng có phương trình ràng buộc; b) Có buộc (1.12) (1.13) xác định giá phương trình ràng buộc trị ấn định hay giới hạn cho phép điều kiện làm việc, độ bền, độ ổn định tần số dao động riêng kết cấu hay hệ thống Ràng buộc (1.14) quy định miền biến thiên thơng số thiết kế 35 1.3.1.5 Bài tốn tối ưu mục tiêu: Trong toán tối ưu mục tiêu người thiết kế quan tâm đến hàm mục tiêu Mục đích tốn xác định giá trị thông số thiết kế p miền giới hạn cho trước cho hàm mục tiêu f(p) đạt giá trị tối ưu, thỏa mãn điều kiện ràng buộc g(p) = h(p) ≤ Nội dung tốn biểu diễn tổng quát dạng toán học sau: opt f(p), pP P: p ,g , h h l m g(p)=0, h(p) 0, p p p l u (1.15) Trong P miền thơng số thiết kế, “opt“ hiểu tối thiểu hàm mục tiêu f(p) Trường hợp cần tối đa hàm mục tiêu f(p) gặp phải bất phương trình ràng buộc dạng h k (p) , đưa tốn dạng (1.16) phép biến đổi: max f(p) minf(p), f:=-f(p) (1.16) h k (p) h k (p) 0, h k (p):=-h k (p) 1.3.2 Lựa chọn phương pháp xác định nghiệm tối ưu 1.3.2.1 Giá trị tối ưu tuyệt đối tối ưu cục Theo [24], [32] tối ưu hố q trình xác định cực trị (cực đại cực tiểu) hàm mục tiêu Giả sử hàm mục tiêu f phụ thuộc vào biến thiết kế p minh hoạ hình 1.20 Cực trị tuyệt đối hay giá trị tối ưu tuyệt đối điểm cực trị tồn miền thơng số h , giá trị tối ưu cục điểm cực trị vùng U h Thơng số thiết kế p* gọi giá trị tối ưu tuyệt đối nếu: f(p* ) f(p), p h gọi giá trị tối ưu cục nếu: f(p* ) f(p), p U h (1.17) (1.18) Hình 1.20 Cực trị tuyệt đối cực trị cục Mỗi hàm số có nhiều cực trị cục bộ, cực trị cục cực trị tuyệt đối Giá trị hàm mục tiêu ứng với nghiệm tối ưu gọi giá trị tối ưu * * hàm mục tiêu ký hiệu f =f(p ) 36 1.3.2.2 Điều kiện cần đủ tối ưu cục bộ: Theo [24], [32], để xác định điểm điểm cực đại cực tiểu, phải xem xét đạo hàm hàm số Đạo hàm bậc hàm đa biến đại lượng véc tơ, gọi gradient hàm, có phương vng góc với đường đồng mức f(p) = const hướng theo T f f f h f(p) : , , p p1 ph chiều tăng hàm f(p): (1.19) Đạo hàm bậc hai hàm đa biến ma trận vuông, gọi ma trận Hessian, 2f 2f 2f , , , p1p h p1p1 p1p 2f 2f f , , , 2f h h f(p) : p p p p p p h pp 2f 2f 2f , , , p h p h p h p1 p h p xác định bởi: (1.20) Đối với tốn tối ưu khơng có ràng buộc, điều kiện cần để p* cực trị f(p* ) cục là: (1.21) * Điều kiện đủ để p cực tiểu hay cực đại tương ứng xác định từ biểu 2f(p* ) 0, thức sau: 2f(p* ) (1.22) * Đối với tốn tối ưu có ràng buộc, điều kiện cần để p cực trị cục xác định từ định lý Kuhn - Tucker : f p * l g j j1 p *j * m h k k 1 p* *k =0, g(p* ) 0, h(p* ) 0, μ* 0, (1.23) *k h k (p* ) 0, k m Trong đó, λ* = λ1, λ , , λl toán tử Lagrange : T l L(p ,λ ,μ ):=f(p )- * * * * j=1 λ*jg j (p* )- m μ*k h k (p* )=0 k=1 Điều kiện cần Kuhn - Tucker biểu diễn đơn giản sau : (1.24) 37 L p * 0, L λ * 0, L μ* 0, (1.25) μ* 0, *k h k (p* ) 0, k m 1.3.2.3 Phương pháp xác định nghiệm tối ưu: a Phương pháp sử dụng đạo hàm : Theo [24], [32], nguyên tắc chung để giải toán tối ưu phương pháp hướng đến cực trị, tức xác định p* =arg f(p) theo nguyên lý pP lặp, tìm p k+1 P từ p k P với k=0,1,2, cho có f(p k+1 ) < f(p k ), đạt sai số cho phép f(p k+1 )-f(p k ) k1 sk s1 C¸c ®-êng ®ång møc k k+1 k f( ) = k * (a) (b) Hình 1.21 Minh họa nguyên lý chung phương pháp hướng đến cực trị Phương pháp hướng đến cực trị có bước chung sau: - Bước 1: Chọn điểm xuất phát p0 số dương e nhỏ tùy ý Phụ thuộc vào điểm xuất phát p0, kết tìm kiếm xác định nghiệm tối ưu cục (hình 1.22) 38 Tuy nhiên, tốn tối ưu cho tốn tối ưu lồi kết không phụ thuộc vào điểm xuất phát, phương pháp cho nghiệm tối ưu tuyệt đối f( ) Nghiệm toàn cục p2 Nghiệm địa ph-ơng p1 0 p2 Nghiệm địa ph-ơng p1 Nghiệm toàn cục Hỡnh 1.22 Ảnh hưởng điểm xuất phát đến tính cục hay tuyệt đối nghiệm toán tối ưu không lồi - Bước 2: Thực bước sau với k=0,1,2,… + Chọn hướng tìm hk: Điểm khác phương pháp hướng đến cực trị nằm việc xác định hướng tìm hk (phụ thuộc pk), phương pháp “Gauss-Seidel”có hướng tìm hk song song với trục tọa độ không gian h chứa điều kiện ràng buộc P (hình 1.22), phương pháp “Gradient” có hướng tìm hk ngược với hướng véc tơ gradient hàm mục tiêu pk grad f(pk ) grad f( ) p2 p2 0 * 1 * p1 Hình 1.23 Phương pháp Gauss - Seidel + Tính pk+1 =pk +sk h k p1 grad f( ) Hình 1.24 Phương pháp gradient + Nếu f(pk+1)-f(pk ) e , gán k:=k+1 quay lại bước Ngược lại chuyển sang bước - Bước 3: Dừng với đáp số: p* pk+1 Bản chất phương pháp đạo hàm hướng tìm kiếm cực trị xác định, tức đưa toán tối ưu đa mục tiêu trở toán tối ưu mục tiêu thay Một số phương pháp điển hình gồm: - Phương pháp tổng trọng số - Phương pháp ràng buộc pháp tuyến - Phương pháp dây cung… 39 b Phương pháp phi đạo hàm: Theo [24], [28], [32], tiêu biểu cho phương pháp phi đạo hàm phương pháp tối ưu tiến hoá Các phương pháp tối ưu tiến hoá gồm ba dạng: - Quy hoạch tiến hoá - Chiến lược tiến hoá - Chương trình tiến hố: Đây lớp thuật tốn tối ưu theo quan điểm di truyền đại thuật toán di truyền - GA (Genetic Algorithm), thuật toán mô luyện kim - SA (Simualated Annealing Algorithm) thuật toán tiến hoá vi phân - DE (Difference Evolution Algorithm) Nền tảng lý thuyết thuật toán nêu lý thuyết chuỗi nhị phân lý thuyết sơ đồ Có nhiều phương pháp khác để giải tốn tối ưu hóa khơng thể đâu phương pháp tốt Mỗi toán cụ thể, ln có chất riêng việc áp dụng phương pháp coi phù hợp để giải phụ thuộc vào kinh nghiệm người thiết kế Thuật toán di truyền sử dụng quy tắc chuyển đổi xác suất để hướng dẫn việc tìm kiếm chúng, việc sử dụng tính tốn xác suất khơng đốn trước kết lại mang tính tìm kiếm ngẫu nhiên hơn, thuật toán di truyền khắc phục nhược điểm phương pháp phi đạo hàm Thuật toán di truyền hướng nghiên cứu phát triển mạnh công cụ triển vọng sử dụng hiệu tốn thiết kế tối ưu kỹ thuật, luận án sử dụng “Thuật Toán Di Truyền (GA)” để giải tốn xác định thơng số kỹ thuật hợp lý búa rung trình hạ cọc ván thép vào đất nhiều lớp (được trình bày cụ thể Chương 3) 1.4 XÂY DỰNG NỘI DUNG NGHIÊN CỨU Qua nội dung thấy, dù có nhiều cơng trình nghiên cứu toán hạ cọc ván thép vào đất búa rung, số vấn đề chưa quan tâm, cụ thể: - Việc nghiên cứu ảnh hưởng thông số kỹ thuật búa rung đến hiệu trình hạ cọc ván thép vào đất nhiều lớp, qua xác định giá trị hợp lý thông số làm sở cho việc tính tốn, thiết kế, chế tạo sử dụng búa rung đến chưa tác giả công trình đề cập đến - Các cơng trình nghiên cứu kể dừng lại việc tiến hành nghiên cứu q trình hạ cọc bê tơng cọc thép (ống thép cọc ván thép) vào đất đồng lớp (đất rời (cát) đất dính (sét)), mà chưa có cơng trình quan tâm nghiên cứu trình hạ cọc vào đất nhiều lớp khác theo cấu trúc địa chất thực tế 40 - Việc nghiên cứu xây dựng mơ hình đất toán hạ cọc ván thép búa rung kết hợp với nghiên cứu thực nghiệm (mơ hình bán thực nghiệm) với điều kiện địa chất cụ thể nước ta đến chưa có tác giả nghiên cứu Vì vậy, luận án xây dựng nội dung nghiên cứu “Nghiên cứu xác định thông số kỹ thuật hợp lý búa rung để hạ cọc ván thép vào đất nhiều lớp khác mơ hình bán thực nghiệm có quan tâm đến chế tương tác lớp đất với cọc ván thép để xác định thành phần lực cản động trình làm việc”, nội dung nghiên cứu hồn tồn chưa có cơng trình đề cập đến KẾT LUẬN CHƯƠNG 1 Búa rung thiết bị sử dụng rộng rãi thi công, sở lý thuyết phục vụ việc tính tốn, thiết kế, lựa chọn búa rung nước ta thiếu bất cập Trên sở tổng hợp, phân tích kết cơng trình nghiên cứu ngồi nước công bố, luận án lựa chọn nội dung nghiên cứu xác định thông số kỹ thuật hợp lý búa rung thi công cọc ván thép vào đất nhiều lớp, có quan tâm đến chế tương tác lớp đất với cọc ván thép trình làm việc, hướng nghiên cứu hồn tồn mới, khơng trùng lặp có ý nghĩa thực tế cao Việc xác định thành phần lực cản động đất tác dụng lên cọc ván thép dựa chế tương tác loại đất với cọc ván thép hạ búa rung có ý nghĩa định đến kết toán vấn đề cốt lõi toán hạ cọc ván thép vào đất lực rung động, nhiên nước ta chưa có cơng trình quan tâm nghiên cứu Trên sở trình tổng hợp, phân tích cơng trình nghiên cứu công bố giới, luận án lựa chọn mơ hình đất mơ hình tốn xác định thành phần lực cản động đất lên cọc ván thép tác dụng lực rung động, cụ thể sức kháng nén động đơn vị mũi cọc (qd) sức kháng cắt động đơn vị thành cọc (d) lớp đất cát lên cọc ván thép xác định theo công thức từ 1.2 đến 1.5, lớp đất sét xác định theo công thức từ 1.6 đến 1.9 Nghiên cứu xác định thông số hợp lý búa rung để hạ cọc ván thép vào đất nhiều lớp vấn đề cấp thiết có tính khoa học cao, làm sở để hoàn thiện thiết kế búa rung chế tạo nước làm sở để lựa chọn loại búa rung, nâng cao hiệu khai thác sử dụng Vấn đề chưa có tác giả đề cập nghiên cứu Có nhiều phương pháp tính tốn tối ưu, phương pháp ứng dụng thuật tốn di truyền để 41 tính tốn tối ưu tốn kỹ thuật có nhiều ưu điểm, luận án lựa chọn thuật toán di truyền để xây dựng phương pháp xác định thông số hợp lý búa rung để hạ cọc ván thép vào đất nhiều lớp 42 CHƯƠNG NGHIÊN CỨU HỆ “BÚA RUNG - CỌC VÁN THÉP - NỀN ĐẤT NHIỀU LỚP” 2.1 XÂY DỰNG MƠ HÌNH TOÁN CHO HỆ “BÚA RUNG - CỌC VÁN THÉP - NỀN ĐẤT NHIỀU LỚP” 2.1.1 Xác định thông số hệ “Búa rung - Cọc ván thép - Nền đất nhiều lớp” 2.1.1.1 Các yếu tố ảnh hưởng đến trình hạ cọc ván thép búa rung a Các yếu tố liên quan đến búa rung: - Tần số rung: Tần số rung có ảnh hưởng đến trạng thái chuyển động cọc đất (trạng thái chuyển động chậm trạng thái chuyển động nhanh) Các trạng thái định đến kết nối thực tế cọc với đất quy luật thay đổi lực cản động Điều cho thấy tần số rung yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến lực cản động đất lên cọc Đến chưa có cơng trình xây dựng phương pháp xác định tần số phù hợp búa rung hạ cọc thường chọn dựa vào số tiêu chí cụ thể mà chưa quan tâm đến liên hệ tần số với lực cản động đất Ngoài ra, tần số búa rung gây tần số rung đất xung quanh cọc, nên có liên quan đến vấn đề cộng hưởng đất khu vực lân cận Theo [12], [46], tần số rung định đến tượng hóa lỏng (đối với đất cát) chảy lỏng (đối với đất sét) - Trọng lượng phần treo (trọng lượng không rung): Việc xác định giá trị trọng lượng phần treo chưa có tính tốn cụ thể đưa Trọng lượng phần treo ảnh hưởng đến vận tốc hạ cọc trạng thái chuyển động nhanh hay chậm cọc tiếp xúc với đất, việc chọn trọng lượng phần treo cần tính tốn cụ thể theo loại đất - Mô men lệch tâm: Mô men lệch tâm thông số định đến giá trị lực rung động biên dao động hệ, việc xác định giá trị tối ưu mô men lệch tâm chưa giải Một số tác giả cho biên độ dao động hệ ứng với tần số rung mà họ lựa chọn phù hợp để hạ cọc, hầu hết tác giả không đưa sở lý thuyết để giải thích luận điểm - Lực rung động: Lực rung động thời gian tác dụng định lượng lượng truyền cho cọc Năng lượng chia làm hai phần gồm phần lượng hạ cọc (năng lượng có ích) phần lượng lượng tổn thất (truyền môi trường đất xung quanh thân cọc gây dao động cho đất) Tùy thuộc vào loại đất, định tỷ lệ hai loại lượng Búa rung thường sử dụng động điện động thủy lực để dẫn động trục gây rung, trục gây rung gồm bánh lệch tâm bánh lệch 43 tâm (i) đặc trưng mô men tĩnh Mei, tổng mô men tĩnh tất bánh lệch tâm Me tính theo cơng thức: Trong đó: m m i=1 i=1 Me = Mi = mei rei (2.1) mei : Khối lượng bánh lệch tâm thứ i, kg; rei: Bán kính lệch tâm bánh lệch tâm thứ i, m; m: Số lượng bánh lệch tâm Hình 2.1 Bánh lệch tâm Hình 2.2 Sơ đồ tính lực rung động cấu gây rung có hướng Lực rung động cấu gây rung có hướng mơ tả hình 2.2 Lực ly tâm bánh lệch tâm (Fci) xác định công thức sau: Fci = meia ci = mei rei ω2 = Meiω2 (2.2) Trong đó: : Vận tốc góc bánh lệch tâm, rad/s: ω = 2πf = πn / 30 (2.3) f: Tần số rung, Hz; n: Số vòng quay bánh lệch tâm phút, vòng/phút; a ci : Gia tốc hướng tâm bánh lệch tâm, m/s2: a ci = rei ω2 (2.4) Từ cấu tạo đặc điểm chuyển động cặp bánh lệch tâm cấu gây rung có hướng (hình 2.2) ta có: Fv = Fcsinθ t = Mei ω2sin(ωt) (2.5) Nếu kể trọng lượng búa lực rung động tác dụng lên đầu cọc xác định: Fd = F0 + Fv = F0 + Mei ω2sin(ωt) (2.6) b Mô tả biên độ dao động hệ a Quy luật thay đổi lực rung động Hình 2.3 Quy luật thay đổi lực rung động dạng chuyển vị hệ 44 - Biên độ dao động hệ “búa rung - cọc”: Là thông số liên quan trực tiếp đến mức độ rung động gây tượng trượt cọc đất Đối với đất dính (sét), để hạ cọc vào đất biên độ dao động hệ “búa rung - cọc” phải lớn so với đất cát biên độ chuyển vị đàn hồi loại đất sét thường lớn biên độ chuyển vị đàn hồi loại đất cát đất sét có thành phần lực dính, nhờ mà giảm phần lượng bị tổn thất cọc truyền môi trường đất xung quanh Theo kiến nghị Rodger Littlejohn (1980) đề cập [46], loại đất khác biên độ dao động hệ “búa rung- cọc” khác lấy theo bảng 2.1 Biên độ dao động hệ phụ thuộc vào giá trị mô men lệch tâm phần khối lượng động hệ: S0 = Trong đó: Me Me = md (m2 + mc ) (2.7) S0: Biên độ dao động hệ “búa rung - cọc”, m md: Khối lượng phần động hệ, kg; m2: Khối lượng phần rung búa, kg; mc: Khối lượng cọc ván thép, kg Bảng 2.1 Giá trị biên độ rung hệ “búa rung - cọc” theo Rodger Littlejohn (1980) Đất sét Đất cát chặt vừa không chặt Đất cát chặt S0 = 5-20 mm S0 = 1-10 mm S0 = 1-10 mm b Các yếu tố liên quan đến cọc ván thép Độ cứng cọc ván thép: Qua cơng trình nghiên cứu cơng bố [46], [40] cho thấy, biến dạng cọc ván thép có độ mảnh lớn làm giảm vận tốc hạ cọc Độ cứng cọc ván thép nhỏ dao động ngang lớn dao động tăng theo dao động thẳng đứng cọc Điều làm giảm biên độ dao động thẳng đứng cọc đơi làm gãy cọc Tuy nhiên theo [46], chiều dài cọc ván thép không lớn thỏa mãn điều kiện sau coi cọc cứng tuyệt đối nếu: T 2L 2t n 4f cb (2.8) Hình 2.4 Mơ hình truyền song ứng suất cọc ván thép 45 Trong đó: T= 1/f: Chu kỳ lực rung động, s; tn: Thời gian sóng dao động từ đầu cọc đến mũi cọc phản hồi trở lại đầu cọc: Với tn = 2L/cb cb: Vận tốc truyền sóng cọc ván thép, m/s; L: Chiều dài cọc ván thép, m c Các yếu tố liên quan đến đất [76] - Khối lượng riêng đất: Là thơng số xem có ảnh hưởng nhiều đến vận tốc hạ cọc Khi khối lượng riêng đất tăng vận tốc hạ cọc giảm, thay đổi thể tích (nén giãn nở) đất liên quan đến đường đặc tuyến hạ cọc - độ dịch chuyển (vc-z) - Áp lực đất xung quanh cọc: Có ảnh hưởng đến vận tốc hạ cọc, áp lực tăng vận tốc hạ cọc giảm - Độ bão hòa nước: Độ bão hòa nước đất lớn vận tốc hạ cọc cao, đất khô (đặc biệt cát khơ) vận tốc hạ cọc chậm gia tốc dao động hệ lớn độ cứng đất lớn - Cấu tạo địa chất dạng phân lớp: Do cấu trúc địa chất gồm nhiều lớp đất khác nên vận tốc hạ cọc qua lớp đất khác Từ cơng trình nghiên cứu công bố cho thấy, lớp đất có tiêu lý đặc tính khác nhau, khối lượng riêng lớp đất tăng lực cản động mũi cọc tăng mạnh, lực cản động thành cọc tăng phụ thuộc vào loại đất, trạng thái đất xung quanh chiều sâu hạ cọc, nên hạ cọc qua lớp đất tốc độ hạ cọc thay đổi theo lớp đất điều kiện địa chất vị trí hạ cọc 2.1.1.2 Các thơng số cần xác định toán hạ cọc ván thép búa rung vào đất nhiều lớp a Các thơng số động lực học q trình hạ cọc (gia tốc, vận tốc, chuyển vị - a, v, z): Đây thơng số phản ảnh đặc tính động lực học hệ trình hạ cọc ván thép vào đất búa rung, qua thông số cho phép xác định trạng thái dao động cọc ván thép trình hạ cọc búa rung, khảo sát ảnh hưởng thành phần lực cản lớp đất đến thay đổi thông số động lực học tồn hệ, từ phân tích đưa nhận xét, đánh giá, điều chỉnh lựa chọn thông số phù hợp búa rung thi công với đối tượng cụ thể (loại cọc ván thép, loại đất…) 46 b Vận tốc hạ cọc (vc): Đây thơng số quan trọng tốn hạ cọc ván thép búa rung, cho phép đánh giá hiệu trình hạ cọc Việc xác định vận tốc hạ cọc đến có nhiều cơng trình nghiên cứu cơng bố với nhiều hướng nghiên cứu khác Tuy nhiên, đến chưa có cơng trình nghiên cứu đưa cơng thức xác định vận tốc hạ cọc ván thép vào đất búa rung có tính chất tổng qt cho trường hợp Theo [42], [46] có số phương pháp xác định vận tốc hạ cọc búa rung sau: - Phương pháp cân lượng: Dựa cân lượng búa rung tạo với lượng tiêu thụ lực cản đất lên cọc ván thép: R.vc =βt Wt +(Fi +F0 ).vc Trong đó: (2.9) R: Lực cản đất, kN; vc: Vận tốc hạ cọc, m/s; t: Hệ số thực nghiệm; Wt: Công suất lý thuyết búa rung, kN.m/s; Fi: Lực quán tính phần khối lượng động, kN; F0: Lực tĩnh tác dụng lên hệ, kN Từ cơng thức (2.9) xác định vận tốc hạ cọc: vc = β t Wt (R-Fi -F0 ) (2.10) - Theo phương pháp bảo toàn động năng: Dựa nguyên lý cân động toàn khối lượng hệ (búa rung - cọc) với xung lượng lực cản đất Tc chu kỳ: (m1 +m +mc ).g.f 10 = Rdt=α tn R t Tc -1 -3 (2.11) Trong đó: m1: Khối lượng khung treo, kg; g: Gia tốc trọng trường, m/s2; tn: Hệ số thực nghiệm lấy từ 0,5 - 1,0, thông thường lấy giá trị 2/3 đề cập [46]; Rt: Lực cản mũi cọc, kN Tc: Thời gian mũi cọc tiếp xúc với đất chu kỳ xác định theo công thức sau: Tc = 2vc , s f.a e (2.12) 47 Với: ae = a - amin: Độ lệch gia tốc dao động thực cọc (a) với gia tốc dao động nhỏ để hạ cọc (amin), m/s2 Từ (2.11) (2.12), ta công thức vận tốc hạ cọc: (a-a ) (m1 +m +mc ).g.f -1.103 vc = 2T α.R t Trong đó: (2.13) T: Chu kỳ lực rung động, s - Phương pháp tích phân phương trình vi phân chuyển động: Theo phương pháp này, vận tốc hạ cọc trung bình chu kỳ xác định hiệu số vận tốc ấn cọc xuống nửa chu kỳ đầu với vận tốc kéo cọc lên nửa chu kỳ sau lực rung động búa rung tạo ra, cụ thể: T/2 T 10-3.Fan (t) 10-3.Fkeo (t) vc (t)=vcx -vcl = dt- dt (m2 +mc ) T/2 (m2 +mc ) Trong đó: (2.14) Fkeo(t): Tổng lực kéo có tác dụng kéo cọc lên, kN: Fkeo (t)=Meω2sin(ωt)-g(m1 +m2 +mc )-R s (2.15) Fan(t): Tổng lực ấn có tác dụng ấn cọc xuống, kN: Fan (t)=Meω2sin(ωt)+g(m1 +m2 +mc )-R s -R t (2.16) Rs: Lực cản động thành cọc, kN; : Vận tốc góc trục lệch tâm, rad/s c Tổng lực động búa rung tạo đầu cọc (Fd): Đây thơng số quan trọng q trình xây dựng toán hạ cọc búa rung, từ việc so sánh tổng lực động búa rung tạo với tổng trở lực cản đất chu kỳ để xây dựng chương trình tính vận tốc hạ cọc trung bình chu kỳ lực rung động búa rung tạo Đây thông số sử dụng để đánh giá mức độ hiệu q trình sử dụng búa rung thơng qua kết thực nghiệm hệ số hiệu sử dụng búa rung, tỷ số biên độ lực động lớn đo đầu cọc trình thực nghiệm với giá trị tổng lực động theo tính tốn lý thuyết ( = Rttmax/Fd) Theo [39], [43], [46], giá trị nằm khoảng 0,2 < R s =sign( z ) d dz với sign( z )= 0 z = -1 z < z (2.25) Trong đó: : Chu vi cọc ván thép, m; d: Sức kháng cắt động đơn vị thành cọc (công thức 1.3 đất cát công thức 1.9 đất sét), kN/m2; z: Chiều sâu dịch chuyển đầu cọc vào đất, m z : Vận tốc dịch chuyển cọc, m/s; - Rt: Lực cản động mũi cọc lớp đất mà mũi cọc dịch chuyển vào Lực cản động mũi cọc (Rt) thể theo dạng đơn giản mô hình hóa hàm bậc thang mà Rt = cọc chuyển động lên ( z nhỏ 0) dương cọc chuyển động xuống ( z lớn 0), lực cản động mũi cọc xác định công thức sau: q d A t Rt = 0 z >0 z (2.26) Trong đó: At: Diện tích mũi cọc, m2; qd: Sức kháng nén động đơn vị mũi cọc (công thức 1.2 đất cát công thức 1.8 đất sét), kN/m2; Áp dụng định luật newton 2, ta hệ phương trình chuyển động hệ “Búa rung - Cọc ván thép - Nền đất nhiều lớp” sau: Hay Pqt1 FS m1g P F (m m )g P R R c kt s t qt S (2.27) m z +S(z -z )-m g=0 1 (m +m )z -S(z -z )-(m +m )g-M ω2 sin(ω.t)+R +R =0 c 2 c e s t (2.28) 55 2.2 XÂY DỰNG SƠ ĐỒ THUẬT TOÁN VÀ CHƯƠNG TRÌNH TÍNH 2.2.1 Xây dựng sơ đồ thuật tốn B¾t đầu Nhập thông số đầu vào: - Các thông số búa rung thủy lực - Các thông số cọc ván thép - Các thông số lớp đất - Thiết lập giá trị ban đầu: z10,z20, v10, v20, z0 Sè chu kú tÝnh i=1 Tính Fd i =1+1 Gọi ch-ơng trình tính lực cản cđa ®Êt Rs(i), Rt(i) Fd + mtỉngg Rs(i) + Rt(i) Gọi ch-ơng trình tính thông số động lực học toán vtbi; zi(t); vi(t); ai(t) z(t); v(t); a(t) Sai Đúng Xuất kết vẽ đồ thị thông số đầu mô hình z(t); v(t); a(t), KÕt thóc Hình 2.7 Sơ đồ khối chương trình tính tốn hạ cọc ván thép búa rung Gọi thông số đầu vào: - Các thông số búa rung thủy lực - Các thông số cọc ván thép - Các thông số lớp đất Bắt đầu Gọi giá trị lực cản cđa ®Êt Rs(i), Rt(i) Fd + mtỉngg Rs(i) + Rt(i) Đúng Sai Gọi ch-ơng trình tính tích phân hệ ph-ơng trình chuyển động hệ xác định zđi(t); vđi(t); ađi(t) Cọc xuống Tính vận tốc vtb(i) Cọc không ®i xng vtb(i) = TÝnh ®é dÞch chun cđa cäc z(i) = z(i-1) + i*T*vtb(i) TÝnh: zi(t) = z(i) + z®i(t) vi(t) = v®i(t) ai(t) = a®i(t) KÕt thóc Hình 2.8 Sơ đồ chương trình tính thơng s ng lc hc ca h 56 Nhập thông số đầu vào Nhập số lớp đất: n=3 Nhập chiều dày lớp, hj (j=1 - n) Nhập loại đất cho lớp Nhập tiêu lý lớp đất Gọi chiều sâu z(i) a1 = h1 -z(i) Đúng Bắt đầu Tính Rs(i) = R1s(i) Rt(i) = R1t(i) Gọi mô hình đất tính R1s(i) = R1s(z(i)) R1t(i) = R1t(z(i)) Sai TÝnh R1s = Rs(h1) a2 = h1 + h2 -z(i) Đúng Gọi mô hình đất tÝnh R2s(i) = R2s(z(i)-h1) R2t(i) = R2t(z(i)-h1) TÝnh Rs(i) = R1s+ R2s(i) Rt(i) = R2t(i) Sai TÝnh R2s = Rs(h1)+Rs(h2) Gọi mô hình đất tính R3s(i) = R3s(z(i)-h1-h2) R3t(i) = R3t(z(i)-h1-h2) Lực cản động đất lên cọc ván thép Rs(i), Rt(i) KÕt thóc TÝnh Rs(i)=R2s+R3s(i) Rt(i)=R3t(i) Hình 2.9 Sơ đồ chương trình tính lực cản động lớp đất lên cọc ván thép 2.2.2 Xây dựng chương trình tính - Trên sở thuật tốn xây dựng, luận án ứng dụng phần mềm Matlab để lập trình chương trình tính tốn tốn hạ cọc ván thép vào đất nhiều lớp búa rung, chương trình tổng quát cho hệ “Búa rung - Cọc ván thép - Nền đất nhiều lớp”, nên sử dụng chương trình để tính tốn với điều kiện đầu vào khác toán (như thay đổi thông số cọc ván thép, búa rung lớp đất), nội dung cụ thể chương trình thể Phụ lục A.1 Độ tin cậy chương trình tính mà luận án xây dựng kiểm chứng thông qua việc so sánh với kết tính cơng trình nghiên cứu cơng bố giới (được trình bày cụ thể Phụ lục A.3) - Trong trường hợp cụ thể, luận án sử dụng thông số cọc ván thép loại PSN-IIw, búa rung dẫn động thủy lực VH-QTUTC70 Việt Nam chế tạo liệu địa chất vị trí T2 T3 cơng trình cầu Đồng Quang (Ba Vì, Hà Nội) kết tính tốn sử dụng đối chiếu, so sánh với kết nghiên cứu thực nghiệm từ có đánh giá cụ thể trình bày mục 4.3 Chương 57 2.3 BÀI TOÁN HẠ CỌC VÁN THÉP NSP-IIw BẰNG BÚA RUNG VH-QTUTC70 VÀO NỀN ĐẤT NHIỀU LỚP TẠI CƠNG TRÌNH CẦU ĐỒNG QUANG 2.3.1 Xác định thơng số đầu vào tốn - Các thơng số búa rung VH-QTUTC70 Việt Nam chế tạo: 380 18 19 445 25 20 Ø85H7 n6 Ø85H7 n6 Ø180n6 Ø90H7 n6 Ø85H7 n6 Ø85H7 n6 Ø180 n6 1060 d.18x30 H7 n6 650 Ø150n6 Ø70 H7 n6 23 D 60 200 270 970 14 26 A 265 Nhìn phải ỉ85H7 n6 ỉ180 n6 d.10x90H7 n6 ỉ85H7 n6 Ø180 n6 Ø85H7 n6 Ø85H7 n6 d.10x90H7 n6 Ø85H7 n6 Ø180 n6 d.10x90H7 n6 C C-C Ø85H7 n6 D Ø85H7 n6 Ø180 n6 Ø90H7 n6 Ø85H7 n6 Ø85H7 n6 Ø85H7 n6 Ø180 n6 D-D 260 260 27 A 24 17 Ø180 n6 Ø90H7 n6 Ø85H7 n6 Ø85H7 n6 15 16 13 240 Ø85H7 n6 Ø180 n6 11 12 740 Ø85H7 n6 Ø85H7 n6 Ø180 n6 d.10x90H7 n6 Ø85H7 n6 Ø180 n6 d.10x90H7 n6 240 260 3000 C B Ø180 n6 19 B 10 60 d.10x90H7 n6 10 760 260 28 480 445 21 22 A-A Nhìn tr-ớc 60 265 B-B Nhìn trái Nhìn sau Chốt liên kết tay đòn với má kẹp Chốt liên kết tay đòn với thân đầu kẹp Chốt liên kết tay đòn với cán xy lanh 4, 6, 15,17 Các trục lắp bánh lệch tâm 3, 2, 1, 5, 16 Các cặp bánh truyền chuyển động ống lót trục lò xo Trục lò xo Lò xo giảm rung động 10, 18 Đai ốc hãm lò xo d-ới 11 Lắp ổ 12, 13 Bánh lệch tâm loại 1, loại 14 Tay đòn 19 Lò xo bảo vệ đai ốc 20, 21 Bánh bị động chủ động 22 ổ đũa đỡ trục bánh chủ động 23 Vòng găng 24 ổ đũa đỡ trục 25 Khung treo búa 26 Má kẹp 27 Thân búa 28 Động thđy lùc dÉn ®éng Hình 2.10 Cấu tạo búa rung VH-QTUTC70 Luận án chọn búa rung VH-QTUTC70 cho trường hợp tính tốn cụ thể, sản phẩm chế tạo nước có thơng số kỹ thuật phù hợp với đối tượng nghiên cứu luận án nghiên cứu thực nghiệm Đây loại búa rung có khả thay đổi tần số rung cách linh hoạt trình làm việc nhờ việc điều chỉnh lưu lượng dầu thủy lực cấp cho búa, cho phép điều chỉnh giá trị tần số rung khác (từ 15 đến 36,62 Hz tích hợp cần trục Liebherr HS833HD), dải tần số rung phổ biến hầu hết loại búa rung Cấu tạo búa rung VH-QTUTC70 hình 2.10 có thơng số bảng 2.2 TT Bảng 2.2 Các thông số đầu vào búa rung VH-QTUTC70 Tên thông số Ký hiệu Giá trị Đơn vị Mô men lệch tâm trục gây rung Khối lượng phần treo búa Khối lượng phần rung búa Tần số rung Độ cứng hệ lò xo giảm chấn Me m1 m2 f 13,46 300 2200 15-36 kg.m kg kg Hz S 30 kN/m 58 - Các thông số cọc ván thép NSP-IIw: Bảng 2.3 Các thông số đầu vào cọc ván thép NSP-IIw Tên thông số Ký hiệu Giá trị Đơn vị TT Chu vi cọc ván thép 1,5 m Diện tích mũi cọc ván thép At 1,04E-02 m2 Chiều dài cọc lcọc 14,5 m Khối lượng cọc ván thép mc 1183,2 kg Khối lượng 1m dài cọc ván thép gcvt 81,6 kg/m Mơ men qn tính cọc ván Jcvt 5,22E-05 m4 - Các thông số đất cơng trình cầu Đồng Quang (Ba Vì, Hà Ni): Dự án đầu t- xây dựng công trình cầu Đồng Quang Địa điểm: Sơn Tây, TP Hà Nội hun Thanh Thđy, tØnh Phó Thä Lý tr×nh: Km0 - Km2+196,11 Dự án đầu t- xây dựng công trình cầu Đồng Quang Địa điểm: Sơn Tây, TP Hà Nội hun Thanh Thđy, tØnh Phó Thä Lý tr×nh: Km0 - Km2+196,11 Hạng mục: Địa chất cầu Giai đoạn thiết kế: Thiết kế vẽ thi công Hạng mục: Địa chất cầu Giai đoạn thiết kế: Thiết kế vẽ thi công hình trụ hố khoan Cát hạt nhỏ lòng sông màu xám 5.07 13 13 15 15 1.56 N1 N2 N3 Chỉ số SPT N Th-ớc độ sâu (m) ThÝ nghiƯm xuyªn tiªu chn Sè bóa N/30cm BiĨu đồ 10 20 30 40 50 Cát hạt nhỏ màu xám đen Kết cấu rời rạc 15 2 15 10 14 27 27 10 15 28 28 11 15 29 10 11 15 28 12 11 16 29 14 11 16 30 Cát hạt nhỏ màu xám đen Kết cấu chặt vừa 6.9 Chiều sâu lỗ khoang: 19m Ng-ời lập: Nguyễn Đình Ngọc Kiểm tra: Hoàng Quang Luận Mô tả địa chất 6.61 1.56 7.89 2.04 5.1 Mặt cắt địa tầng Bề dày lớp (m) Cao ®é líp (m) 10 20 30 40 50 ChiỊu s©u líp(m) ChØ sè SPT N Th-íc ®é s©u (m) N1 N2 N3 BiĨu ®å Tû lƯ: 1/100 Ngày khoan: 16/04/2014 Máy khoan: XY-1 Số hiệu lỗ khoan: LKT3 Cao độ lỗ khoan: 6.61 Lý trình: Km0+365.03 9 15 26 10 10 15 27 12 10 17 29 14 25 6a Cát hạt trung sỏi sạn lẫn sét Kết cấu chặt vừa đến chặt 25 26 29 Sét pha màu xám nâu Trạng thái nửa cứng -2.84 9.45 27 6a 29 -4.86 12 6.2 2.0 -6.86 14 3.0 Đá phiến sét xám xanh, xám đen Nứt nẻ mạnh Đá phiến sét xám xanh, xám đen Phong hóa nhĐ, t-¬i cøng -9.86 17 Hình 2.11 Hình trụ hố khoan LKT2 -9.04 15.65 1.0 Đá phiến sét xám xanh, xám đen Nứt nẻ mạnh 2.0 Đá phiến sét xám xanh, xám đen Phong hóa nhẹ, t-ơi cứng -10.04 16.65 29 Sét pha màu xám nâu Trạng thái nửa cứng 28 30 Hỡnh 2.12 Hỡnh tr h khoan LKT3 Độ sâu lấy mẫu(m) 0.03 Mặt cắt địa tầng Bề dày lớp (m) Cao độ lớp (m) 7.11 0.03 Mô tả địa chất Thí nghiệm xuyên tiêu chuẩn Số búa N/30cm Độ sâu lấy mẫu(m) Chiều sâu lớp(m) Số hiệu lớp hình trụ hố khoan Chiều sâu lỗ khoang: 17m Ng-ời lập: Nguyễn Đình Ngọc Kiểm tra: Hoàng Quang Luận Số hiệu lớp Tỷ lệ: 1/100 Ngày khoan: 15/04/2014 Máy khoan: XY-1 Số hiệu lỗ khoan: LKT2 Cao độ lỗ khoan: 7.11 Lý tr×nh: Km0+298.43 59 Căn vào kết thí nghiệm trường kết thí nghiệm tiêu lý mẫu đất lấy trình khoan khảo sát, luận án lựa chọn vị trí trụ T2, T3 cơng trình cầu Đồng Quang [7] làm thực nghiệm sử dụng thông số lớp đất vị trí làm thơng số đầu vào tính tốn cấu trúc địa chất vị trí phù hợp với mục tiêu nghiên cứu luận án Cấu tạo địa chất vị trí trụ T2 T3 cầu Đồng Quang thể thơng qua mặt cắt hình trụ hố khoan địa chất lỗ khoan LKT2 (trụ T2) lỗ khoan LKT2 (T3) hình 2.11 hình 2.12 a Kết cấu địa chất trị vị trí lỗ khoan LKT2 (trụ T2) - Lớp 1: Cát hạt nhỏ lòng sơng, có chiều dày nhỏ (0,03m) nên bỏ qua - Lớp 2: Cát hạt nhỏ màu xám đen, chặt vừa, có chiều dày 2,07m, số SPT trung bình N = 15 Có tiêu lý sau: + Sức kháng thành đơn vị theo thí nghiệm CPT, fs = 31 kN/m2; + Sức kháng mũi côn đơn vị theo thí nghiệm CPT, qc = 3420 kN/m2; + Sức kháng tĩnh đơn vị đất dọc thành cọc, s = 41 kN/m2; + Sức kháng tĩnh đơn vị mũi cọc, qs = 3150 kN/m2; + Khối lượng thể tích tự nhiên: = 1850 kg/m3; + Góc ma sát, = 28°42’; + Cường độ kháng cắt khơng nước trung bình, Su = 125 kN/m2; + Cỡ hạt thể biểu đồ thành phần hạt (hình 2.13) - Lớp 3: Sét pha màu xám nâu, trạng thái nửa cứng, có chiều dày 6,9m, có số SPT trung bình N = 27 Có tiêu lý sau: + Sức kháng thành đơn vị theo thí nghiệm CPT, fs = 73 kN/m2; + Sức kháng mũi đơn vị theo thí nghiệm CPT, qc = 5980 kN/m2; + Sức kháng tĩnh đơn vị đất dọc thành cọc, s = 71 kN/m2; + Sức kháng tĩnh đơn vị mũi cọc, qs = 5200 kN/m2; + Khối lượng thể tích tự nhiên: = 1890 kg/m3; + Chỉ số dẻo, Ip = 14,7 %; + Lực dính kết, c = 2,6.10-3 kN/m2; + Hệ số lỗ rỗng, e0 = 0,849; + Góc ma sát trong, = 12o25'; + Cường độ kháng cắt khơng nước trung bình, Su = 200 kN/m2 b Kết cấu địa chất vị trí lỗ khoan LKT3 (trụ T3) 60 - Lớp 1: Cát hạt nhỏ màu xám đen, rời rạc, có chiều dày 1,56m, số SPT trung bình N = Có tiêu lý sau: + Sức kháng thành đơn vị theo thí nghiệm CPT, fs = 30 kN/m2; + Sức kháng mũi đơn vị theo thí nghiệm CPT, qc = 3200 kN/m2; + Sức kháng tĩnh đơn vị đất dọc thành cọc, s = 50 kN/m2; + Sức kháng tĩnh đơn vị mũi cọc, qs = 2500 kN/m2; + Khối lượng thể tích đất: s = 1840 kg/m3; + Góc ma sát, = 23°38’; + Cường độ kháng cắt khơng nước trung bình, Su = 100 kN/m2; + Cỡ hạt thể biểu đồ thành phần hạt (hình 2.13) - Lớp 2: Cát hạt trung sỏi sạn lẫn sét, chặt vừa đến chặt, có chiều dày 7,89m, số SPT trung bình N = 27 Có tiêu lý sau: + Sức kháng thành đơn vị theo thí nghiệm CPT, fs = 78 kN/m2; + Sức kháng mũi đơn vị theo thí nghiệm CPT, qc = 1042 kN/m2; + Sức kháng tĩnh đơn vị đất dọc thành cọc, s = 70 kN/m2; + Sức kháng tĩnh đơn vị mũi cọc, qs = 6400 kN/m2; + Khối lượng thể tích đất: s = 1870 kg/m3; + Góc ma sát, = 31°18’; + Cường độ kháng cắt khơng nước trung bình, Su = 260 kN/m2; + Cỡ hạt thể biểu đồ thành phần hạt (hình 2.13) - Lớp 3: Sét pha màu xám nâu, trạng thái nửa cứng, có chiều dày 6,2m, có số SPT trung bình N = 29 Có tiêu lý sau: + Sức kháng thành đơn vị theo thí nghiệm CPT, fs = 95 kN/m2; + Sức kháng mũi côn đơn vị theo thí nghiệm CPT, qc = 6750 kN/m2; + Sức kháng tĩnh đơn vị đất dọc thành cọc, s = 80 kN/m2; + Sức kháng tĩnh đơn vị mũi cọc, qs = 5800 kN/m2; + Khối lượng thể tích tự nhiên: = 1850 kg/m3; + Chỉ số dẻo, Ip = 19,7 %; + Lực dính kết, c = 2,7.10-3 kN/m2; + Hệ số lỗ rỗng, e0 = 0,823; + Góc ma sát trong, = 13o01'; + Cường độ kháng cắt khơng nước trung bình, Su = 210 kN/m2 61 Hình 2.13 Biểu đồ thành phần hạt loại cát Nhận xét: - Từ kết khảo sát địa chất cơng trình xây dựng cầu Đồng Quang trụ T2 trụ T3 cho thấy có đầy đủ thơng tin kết thí nghiệm phục vụ cho q trình xây dựng lý thuyết tính tốn thành phần lực cản động đất lên cọc ván thép - Địa chất trụ T2 trụ T3 cầu Đồng Quang có cấu trúc đất điển hình cho cấu trúc địa chất nhiều lớp, lớp đất cát đất sét (bảng 2.4) nằm đan xen, với chiều dày khác nhau, cấu trúc địa chất điển hình Hà Nội nói riêng Việt Nam nói chung Vì vậy, việc chọn vị trí thực nghiệm trụ T2 trụ T3 cầu Đồng Quang phù hợp với mục tiêu nghiên cứu luận án Bảng 2.4 Loại đất trụ T2 T3 cầu Đồng Quang Tên lớp đất trụ T2 T3 cầu Đồng Quang Tên loại đất tương đương theo bảng 1.1 Cát hạt nhỏ, chặt vừa (Lớp trụ T2) alb,aIV3tb1 Sét pha, trạng thái nửa cứng (Lớp trụ T2 lớp trụ T3) a,amIII2vp3 Cát hạt nhỏ, rời rạc (Lớp trụ T3) aIV3tb2 Cát hạt trung sỏi sạn lẫn sét, chặt vừa đến chặt (Lớp trụ T3) aIII2vp1 - Chiều dày lớp đất vừa phải cho phép thực trình thực nghiệm để xác định thông số thực nghiệm hạ cọc qua lớp đất này, từ xác định hệ số thực nghiệm (hệ số hóa lỏng hệ số chảy lỏng lớp đất) sử dụng để điều chỉnh tính tốn lý thuyết Cụ thể, hệ số hóa lỏng hệ số chảy lỏng loại đất trụ T2 T3 đưa vào chương trình tính tốn lý thuyết q trình xác định thành phần lực cản động chọn bảng 2.5 (các hệ số chọn theo kết nghiên cứu thực nghiệm Chương 4) 62 Tấn số (f) Loại đất Bảng 2.5 Giá trị hệ số thực nghiệm đưa vào tính tốn 15 20 25 30 35 Hệ số thực nghiệm Hz Hz Hz Hz Hz Trụ T2 Mũi cọc 0,6 0,5 0,4 0,4 0,2 Hệ số hóa lỏng Thành cọc 0,167 0,167 0,111 0,109 0,104 Lớp - Cát hạt nhỏ màu xám đen, rời rạc Lớp - Sét pha Hệ số chảy màu xám nâu, trạng lỏng thái nửa cứng Mũi cọc 0,6 0,7 0,4 0,3 0, 18 Thành cọc 0,16 0,11 0,12 0,13 0,17 Trụ T3 Mũi cọc Lớp - Cát hạt nhỏ 0,6 0,5 0,4 0,4 0,2 màu xám đen, rời Hệ số hóa lỏng Thành cọc 0,167 0,167 0,111 0,109 0,104 rạc Lớp - Cát hạt Mũi cọc 0,191 0,179 0,247 0,243 0,116 trung sỏi sạn lẫn Hệ số hóa lỏng sét, chặt vừa đến Thành cọc 0,152 0,166 0,117 0,109 0,116 chặt Lớp - Sét pha Mũi cọc 0,6 0,7 0,4 0,3 0, 18 Hệ số chảy màu xám nâu, trạng lỏng Thành cọc 0,16 0,11 0,12 0,13 0,17 thái nửa cứng 2.3.2 Phân tích kết 2.3.2.1 Kết tính tốn với thơng số địa chất trụ T2 b) Dịch chuyển cọc Z = m a) Dịch chuyển tổng thể cọc c) Độ dịch chuyển cọc Z = m Hình 2.14 Độ dịch chuyển thực cọc (trụ T2, f=30Hz) 63 Hình 2.15 Gia tốc cọc (trụ T2, f=30Hz) Hình 2.16 Gia tốc rung khung treo (trụ T2, f=30Hz) Hình 2.17 Vận tốc rung cọc (trụ T2, f=30Hz) Hình 2.18 Vận tốc rung khung treo (trụ T2, f=30Hz) 64 Hình 2.19 Chuyển vị cọc (trụ T2, f=30Hz) Hình 2.20 Chuyển vị khung treo (trụ T2, f=30Hz) a) Lực cản động thành cọc tổng thể theo thời gian hạ cọc b) Lực cản động thành cọc t = s c) Lực cản động thành cọc t = 80 s Hình 2.21 Lực cản động thành cọc (trụ T2, f=30Hz) 65 a) Lực cản động mũi cọc tổng thể theo thời gian hạ cọc b) Lực cản động mũi cọc t = s (lớp 1) c) Lực cản động mũi cọc t=80s (lớp 2) Hình 2.22 Lực cản động mũi cọc (trụ T2, f=30Hz) 2.3.2.2 Kết với thông số địa chất trụ T3 b) Dịch chuyển cọc Z = m c) Dịch chuyển cọc Z = 10,5 m a) Dịch chuyển tổng thể cọc Hình 2.23 Độ dịch chuyển cọc (trụ T3, f=30Hz) 66 Hình 2.24 Gia tốc rung cọc (trụ T3, f=30Hz) Hình 2.25 Gia tốc rung khung treo (trụ T3, f=30Hz) Hình 2.26 Vận tốc rung cọc (trụ T3, f=30Hz) Hình 2.27 Vận tốc rung khung treo (trụ T3, f=30Hz) 67 Hình 2.28 Chuyển vị cọc (trụ T3, f=30Hz) Hình 2.29 Chuyển vị khung treo (trụ T3, f=30Hz) a) Lực cản động thành cọc tổng thể theo thời gian c) Lực cản động thành cọc t = 80 s b) Lực cản động thành cọc t = s Hình 2.30 Lực cản động thành cọc (trụ T3, f=30Hz) a) Lực cản động mũi cọc tổng thể theo thời gian c) Lực cản động mũi cọc t = 80 s b) Lực cản động mũi cọc t = s Hình 2.31 Lực cản động mũi cọc (trụ T3, f =30Hz) Kết chi tiết kết khác trình bày Phụ lục A.4 68 Nhận xét: Từ kết thu ứng dụng chương trình tính cho trường hợp sử dụng búa rung dẫn động thủy lực VH-QTUTC70 để hạ cọc ván thép NSP-IIw vào đất nhiều lớp trụ T2 T3 cơng trình cầu Đồng Quang, đưa số nhận xét: - Luận án sử dụng hệ số thực nghiệm lớp đất trụ T2 T3 cầu Đồng Quang xác định nghiên cứu thực nghiệm Chương q trình tính, kết thu có quy luật giá trị tương đồng với kết nghiên cứu thực nghiệm (sẽ phân tích cụ thể mục 4.6 Chương 4) Điều khẳng định chương trình tính luận án hệ số thực nghiệm tìm hợp lý xác - Tốc độ hạ cọc thay đổi cọc dịch chuyển qua lớp đất khác nhau, cụ thể hình 2.14, thời gian cọc qua lớp đất (cát hạt nhỏ, chặt vừa, có chiều dày 2,07m - LKT2) giây (vtb = 230 mm/s, qua lớp đất (sét pha, có chiều dày 8,9m LKT2) 58 giây (vtb = 154 mm/s), hay hình 2.23, thời gian cọc hết lớp (cát hạt nhỏ, có chiều dày 1,56m - LKT3) giây (vtb = 260 mm/s), hết lớp (cát hạt trung, có chiều dày 7,89m - LKT3) 27 giây (vtb = 245 mm/s), hết lớp đất (sét pha, có chiều dày 6,2m - LKT3) 37 giây (vtb = 89 mm/s) Từ phân tích thấy, tần số tốc độ hạ cọc qua lớp đất khác tốc độ hạ cọc qua lớp cát có giá trị lớn (tốc độ hạ cọc nhanh hơn) so với lớp sét pha - Gia tốc, vận tốc chuyển vị hệ (búa, cọc khung treo) lúc đầu có dạng hình điều hòa hình sin (theo quy luật lực rung động), sau biến đổi dần theo chiều sâu hạ cọc hình 2.15 đến 2.20 từ hình 2.24 đến hình 2.29, điều cho thấy lực cản đất tác dụng lên cọc ảnh hưởng làm cho thông số không giữ hình dạng dao động ban đầu theo quy luật thay đổi lực rung động - Từ đồ thị hình 2.21 2.30 cho thấy, lực cản động thành cọc phụ thuộc vào chiều sâu hạ cọc loại đất, cụ thể chiều sâu hạ cọc tăng thành phần lực cản động tăng cọc qua lớp đất khác giá trị thay đổi (như thời điểm t=30 s hình 2.21a, t = 45 s hình 2.30a) Từ đồ thị 2.21b, 2.21c 2.30b, 2.30c ta thấy rằng, thành phần lực cản động thành cọc có quy luật thay đổi hoàn toàn giống với kết nghiên cứu thực nghiệm (Chương 4) mô tả mơ hình "đàn dẻo - nhớt” lớp đất - Từ đồ thị hình 2.22 2.31 cho thấy, giá trị lực cản động mũi cọc phụ thuộc vào loại đất, cụ thể hình 2.22a, t=40s, lực cản thay đổi đột ngột cọc từ lớp đất sang lớp đất (trụ T2) hay hình 2.31a, t=5s (cọc 69 chuyển từ lớp sang lớp 2) t=40s (cọc chuyển từ lớp sang lớp 3) Từ đồ thị 2.22b, 2.22c, 2.31b 2.31c ta thấy, lực cản động mũi cọc có quy luật thay đổi hoàn toàn giống với kết nghiên cứu thực nghiệm (Chương 4) thành phần lực cản xuất nửa chu kỳ lực rung động KẾT LUẬN CHƯƠNG Trên sở tổng hợp, đánh giá phân tích yếu tố ảnh hưởng đến trình hạ cọc ván thép búa rung vào đất nhiều lớp, luận án xây dựng mơ hình tốn cho q trình hạ cọc ván thép búa rung vào đất nhiều lớp (hình 2.11) có quan tâm đến chế tương tác đất với cọc để xác định thành phần lực cản động lớp đất (đất cát đất sét, loại đất điển hình địa chất nước ta) lên cọc ván thép Từ mô hình tốn thiết lập, luận án xây dựng chương trình tính tốn xác định thơng số kỹ thuật toán hạ cọc ván thép búa rung vào đất nhiều lớp phần mềm Matlab Độ tin cậy chương trình kiểm chứng việc so sánh kết tính với kết cơng trình cơng bố giới Chương trình sử dụng để tính tốn tốn xác định thông số kỹ thuật hợp lý búa rung hệ "Búa rung - Cọc ván thép - Nền đất nhiều lớp" đề cập Chương 3 Ứng dụng chương trình tính để tính tốn thu kết cho trường hợp cụ thể với búa rung thủy lực VH-QTUTC70, hạ cọc ván thép NSP-IIw vào đất nhiều lớp trụ T2 T3 cơng trình cầu Đồng Quang (Ba Vì, Hà Nội) 70 CHƯƠNG NGHIÊN CỨU XÁC ĐỊNH CÁC THÔNG SỐ KỸ THUẬT HỢP LÝ CỦA BÚA RUNG KHI HẠ CỌC VÁN THÉP VÀO NỀN ĐẤT NHIỀU LỚP 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 3.1.1 Xây dựng toán Bài toán xác định thông số kỹ thuật hợp lý búa rung hạ cọc ván thép vào đất nhiều lớp toán phi tuyến phức tạp liên quan đến nhiều tham số đầu vào tham số búa rung, tham số cọc ván thép, tham số môi trường đất tham số đất tham số biến đổi phi tuyến khó xác định Với đối tượng nghiên cứu chọn, búa rung có thơng số kỹ thuật sau: Bảng 3.1 Các thông số kỹ thuật búa rung Tên thông số Ký hiệu TT Mô men lệch tâm trục gây rung, kg.m Me Khối lượng phần treo búa, kg m1 Khối lượng phần rung búa, kg m2 Tần số rung, Hs f Độ cứng hệ lò xo giảm chấn, kN.m/s S Căn bảng 3.1 thấy, đối tượng búa rung mà luận án chọn đặc trưng năm thông số kỹ thuật bản, với giá trị thông số ứng với chế độ hoạt động búa rung Vì vậy, để điều chỉnh chế độ hoạt động búa rung nhằm tối ưu trình hạ cọc ván thép vào đất nhiều lớp, phải tiến hành tính tốn lựa chọn giá trị hợp lý năm thông số đặc trưng búa rung xét toàn hệ “Búa rung - cọc ván thép - đất nhiều lớp” Có thể chọn hay tồn năm thơng số búa rung để tính tốn xác định giá trị hợp lý toán hạ cọc ván thép vào đất nhiều lớp, điều có ý nghĩa lớn q trình tính tốn, thiết kế khai thác búa rung, qua chế tạo loại búa rung có thông số phù hợp theo đối tượng thi công cụ thể nâng cao hiệu sử dụng búa rung q trình thi cơng Xuất phát từ phân tích trên, trường hợp tổng quát, luận án tiến hành xây dựng tốn xác định thơng số kỹ thuật hợp lý búa rung (gồm năm thông số kỹ thuật) để hạ cọc ván thép mặt cắt chữ U vào đất nhiều lớp Tuy nhiên, trường hợp ứng dụng cụ thể, luận án tập trung xác định giá trị hợp lý hai thông số tần số rung động (f) khối lượng phần treo (m1) búa rung VH-QTUTCH70, xét 71 quan điểm khai thác sử dụng, năm thông số kỹ thuật búa rung, hai thơng số dễ dàng điều chỉnh trực tiếp trình búa hoạt động Các thơng số búa rung xác định cách gián tiếp thơng qua tốn tối ưu đa mục tiêu, hàm mục tiêu tối thiểu hóa chi phí lượng tiêu hao trình hạ cọc ván thép vào đất nhiều lớp búa rung theo chiều sâu hạ cọc ván thép thay đổi thông số đầu vào búa Từ xác định giá trị phù hợp cho thông số búa rung tương ứng với loại đất cụ thể 3.1.2 Xác định chi phí lượng búa rung trình hạ cọc ván thép vào đất nhiều lớp a Công suất dẫn động gây rung: Theo [3] xác định cơng thức sau: N= Trong đó: Pkt0 Ac n , kW 60 (3.1) Pkt0: Biên độ lực rung động búa rung, kN Me ω2 Me (2.π.f)2 Pkt0 = = 1000 1000 (3.2) Với: : Vận tốc góc trục gây rung ω=2.π.f , rad/s; Ac: Biên độ rung động búa rung - cọc ván thép, m: A=ξ z (3.3) Với: 0: Hệ số thực nghiệm, với cọc ván thép lấy 0 = 1; z2: Biên độ dao động thực tế cọc ván thép, xác định thông qua giải hệ phương trình chuyển động (2.30) hệ “Búa rung - Cọc ván thép - Nền đất nhiều lớp”, tức z2 hàm thông số sau: z2 = z2(f, m1, m2, mc, Me, S, Rt, Rs), m (3.4) n: Số vòng quay trục gây rung n=60.f, vòng/phút; Từ ta được: N= (2.π)2 ξ Me f z (f ,m1,m ,mc ,S,M e ,R t ,R s ) , kW 1000 (3.5) Công suất thực tế dẫn động búa rung: Trong đó: (2.π)2 ξ Me Nt = f z (f,m1,m ,mc ,S,M e ,R t ,R s ) , kW 1000.η (3.6) : Hiệu suất truyền động hệ gồm: (3.7) Với ck: Hiệu suất truyền động khí; tl: Hiệu suất truyền động thủy lực = ck.tl 72 Thay (3.8) vào (3.6) ta cơng thức tính cơng suất thực tế dẫn động búa rung: (2.π)2 ξ Me Nt = f z (f,m1,m ,mc ,S,M e ,R t ,R s ) , kW 1000.η (3.8) b Xác định vận tốc hạ cọc trung bình chu kỳ: Tốc độ hạ cọc chu kỳ xác định hiệu số vận tốc ấn cọc xuống nửa chu kỳ đầu với vận tốc kéo cọc lên nửa chu kỳ sau lực rung động, từ công thức (2.14) ta có: Ti /2 T i 10-3.Fan (t) 10-3.Fkeo (t) v tb (Ti )=van -v keo = dt- dt (m +m ) (m +m ) c c Ti-1 Ti /2 (3.9) Trong đó: Lực ấn Fan(t) xác định công thức (2.15) biến đổi thành: Fan (t)=Me (2.π.f)2sin(2.π.f.t)+g(m1 +m2 +mc )-R s -R t (3.10) Lực kéo Fkeo(t) xác định công thức (2.16) biến đổi thành: Fkeo (t)=Me (2.π.f)2 sin(2.π.f.t) -g(m1 +m2 +mc )-R s Trong đó: (3.11) Ti: Thời gian chu kỳ thứ i, s Rs: Lực cản động thành cọc xác định công thức (2.25), kN; Rt: Lực cản động mũi cọc xác định công thức (2.26), kN c Độ dịch chuyển trung bình cọc chu kỳ, m: z tb (Ti ) = Ti vtb (Ti ) Trong đó: (3.12) vtb(Ti): Vận tốc hạ cọc trung bình chu kỳ thứ i, m/s d Tổng chiều sâu dịch chuyển cọc ván thép, m: m z = z tb (Ti ) (3.13) i=1 Trong đó: ztb(Ti): Độ dịch chuyển trung bình cọc chu kỳ Ti, m; mck: Số chu kỳ dẫn động búa rung khoảng thời gian t để hạ cọc đến chiều sâu cho trước (zmax), mck = t/T; e Hàm chi phí lượng dẫn động búa rung: Hàm chi phí lượng để dẫn động búa rung chi phí cơng suất dẫn động búa rung theo thời gian Như biết, công suất dẫn động búa rung công (A) cần sinh để dẫn động búa rung thời gian (t), tức là: N= ΔA Δt hay N= dA dt (3.14) 73 Vậy lượng chi phí dẫn động búa rung chu kỳ rung xác định công cần sinh để dẫn động búa rung chu kỳ, hay: Ti Ti (2.π)2 ξ M e f z (f,m1,m2 ,mc ,S,Me ,R t ,R s ) dt 1000.η WTi =ATi = N t dt= (3.15) Vậy, chi phí lượng dẫn động búa rung khoảng thời gian t xác định tổng lượng mà búa rung thực n chu kỳ rung động: m W= WT i (3.16) i=1 Trong đó: WTi: Năng lượng chi phí để dẫn động búa rung chu kỳ Ti; 3.1.3 Xây dựng mơ hình tốn xác định thơng số hợp lý búa rung a Hàm mục tiêu: Xác định thông số kỹ thuật hợp lý búa rung nhằm tối thiểu hóa giá trị lượng chi phí để dẫn động búa rung trình hạ cọc ván thép tính cho đơn vị chiều sâu hạ cọc vào chiều sâu hạ cọc cho trước (zmax) môi trường đất nhiều lớp xác định Hàm mục tiêu biểu diễn biểu thức toán học sau: m Ti W m WT i (2.π)2 ξ Me CFW(p)= = = f z (f,m1 ,m2 ,mc ,S,Me ,R t ,R s ) dt z i=1 z tb (Ti ) i=1 z tb (Ti ).1000.μ (3.17) Trong đó: CFW(p): Hàm chi phí lượng (W) theo chiều sâu hạ cọc (z), kW/m; W: Tổng lượng chi phí để dẫn động búa rung, kW; z: Chiều sâu hạ cọc ván thép, m; b Thông số hợp lý cần xác định: Thông số hợp lý cần xác định (còn gọi thơng số thiết kế) tốn tập hợp thơng số kỹ thuật quan trọng búa rung khó có khả xác định thực tế gồm tần số rung (f), khối lượng lệch tâm (Me), độ cứng hệ lò xo giảm chấn (S), khối lượng phần rung (m2) khối lượng khung treo (m1) c Điều kiện ràng buộc: Điều kiện ràng buộc toán tối ưu giới hạn thông số thiết kế, xác định sở tính tốn lý thuyết cấu tạo búa rung Cụ thể: - Điều kiện ràng buộc thông số thiết kế: pl p(f,m1, m1, Me, S) pu Trong đó: pl: Véc tơ giới hạn thông số thiết kế p; p(f,m1, m1, Me, S): Véc tơ thông số thiết kế; pu: Véc tơ giới hạn thông số thiết kế p - Điều kiện ràng buộc điều kiện làm việc hệ, cụ thể: (3.18) 74 + Điều kiện để hạ cọc vào đất búa rung biên độ dao động cọc ván thép phải lớn giá trị biên độ giới hạn nhỏ nhất: z2 (f,m1,m2 ,mc ,S,Me ,R t ,R s ) [S0 ] Trong đó: (3.19) [S0 ] : Giá trị biên độ giới hạn nhỏ cọc xác định theo bảng 2.1 z2 (f,m1,m2 ,mc ,S,Me ,R t ,R s ) : Giá trị tuyệt đối biên độ dao động cọc ván thép, m + Điều kiện ràng buộc tổng chiều sâu dịch chuyển cọc ván thép: z z max (3.20) Với: zmax: Chiều sâu hạ cọc cho trước, m d Bài toán tối ưu: Bài toán tối ưu xác định thông số kỹ thuật hợp lý búa rung hạ cọc ván thép vào đất nhiều lớp viết dạng tắc sau: n Ti W n WT i (2.π) ξ M e CFW(p)= = = f z (f,m1 ,m ,m c ,S,M e ,R t ,R s ) dt pP z i=1 z tb (Ti ) i=1 z tb (Ti ).1000.η p M ,m ,m ,f,S T p l p pu e x l l l l l l p M e ,m1 ,m ,f ,S u p : p M eu ,m1u ,m 2u ,f u ,Su z (m1 ,m ,m c ,S,M e ,R t ,R s ) [S0 ] 0 z z max (3.21) Với pl pu véc tơ giới hạn giới hạn thông số thiết kế p, So giá trị biên độ giới hạn nhỏ để đảm bảo cọc hạ vào lớp đất lấy theo bảng 2.1 Trong trường hợp cụ thể phân tích trên, luận án chọn hai thơng số để tính tốn tối ưu (m1 f) phương trình tắc viết dạng: n Ti W n WT i (2.π) ξ M e CFW(p)= = = f z (f,m1 ,m ,m c ,S,M e ,R t ,R s ) dt pP z i=1 z tb (Ti ) i=1 z tb (Ti ).1000.η l u p m ,f T x1 p p p p l 0, 15 u p : p 2000, 100 z (m1 ,m ,m c ,S,M e ,R t ,R s ) [S0 ] 0 z z max (3.22) 75 3.1.4 Xây dựng thuật tốn chương trình tính thơng số hợp lý Như phân tích Chương 1, có nhiều phương pháp lý thuyết khác để giải toán tối ưu (xác định thông số hợp lý), phương pháp, lý thuyết đề có ưu điểm nhược điểm chúng, nhiên với ưu điểm bật thuật toán di truyền ứng dụng để giải toán tối ưu phi tuyến kỹ thuật, luận án lựa chọn thuật toán di truyền để xây dựng lý thuyết tính cho tốn “Xác định thơng số kỹ thuật hợp lý búa rung để hạ cọc ván thép vào đất nhiều lớp, có quan tâm đến chế tương tác phi tuyến thành phần lực cản động lớp đất tác dụng lên cọc ván thép trình làm việc” 3.1.4.1 Thuật toán di truyền a Khái niệm: Theo [24], [28], [31], [32], [73], thuật tốn di truyền thuật tốn tìm kiếm để giải tốn tối ưu hóa dựa mô bắt chước chế chọn lọc tự nhiên chế di truyền giới sinh vật Thuật toán di truyền sử dụng nhiều thuật ngữ vay mượn "Di truyền học" Trong tự nhiên, thể sinh vật mang số nhiễm sắc thể đó, thuật tốn di truyền đơn giản coi cá thể đại diện nhiễm sắc thể, tương ứng với phương án thiết kế kỹ thuật Thuật toán di truyền thuật tốn tìm kiếm ngẫu nhiên kết hợp thêm đặc tính thuật tốn tìm kiếm tất định Thuật tốn di truyền thực tìm nghiệm tối ưu theo nhiều hướng cách trì tập hợp nghiệm cho phép tạo trao đổi thơng tin hướng tìm kiếm Tập hợp nghiệm cho phép trải qua trình tiến hóa, tương ứng với đợt tìm kiếm lại tái sinh (chọn lọc) nghiệm tương đối tốt loại bỏ nghiệm xấu Tiêu chí đánh giá mức độ tốt hay xấu nghiệm giá trị thích nghi nghiệm theo hàm mục tiêu b Đặc điểm chủ yếu thuật toán di truyền: Thuật tốn di truyền xét duyệt tồn nghiệm có thể, sau chọn nghiệm tương đối tốt sở so sánh giá trị hệ số thích nghi c.Trình tự áp dụng thuật toán di truyền để giải toán thiết kế tối ưu: - Chọn mơ hình tốn, đưa đặc điểm nghiệm cho phép Lập hàm thích nghi toán, đơn giản lấy hàm mục tiêu tốn tối ưu hóa làm hàm thích nghi Tính hệ số thích nghi cho nghiệm cho phép - Căn vào giá trị hệ số thích nghi nghiệm để thực thao tác tự sinh, biến hóa (lai ghép đột biến) nghiệm 76 - Tính hệ số thích nghi cho nghiệm loại bỏ nghiệm xấu, giữ lại xét tiếp số lượng hạn chế nghiệm tương đối tốt để chọn nghiệm tối ưu d Nội dung thuật toán di truyền: Cơ chế thuật toán di truyền đơn giản, chủ yếu chép chuỗi hoán vị phần chuỗi Trong q trình tái sinh, đột biến làm cho chuỗi nhiễm sắc thể cá thể hệ sau khác so với cá thể hệ trước, tổ hợp trình tạo nhiều cá thể khác hệ sau Cơ chế mã hóa hàm mục tiêu tạo thành mối liên kết thuật toán di truyền toán cần giải Hàm mục tiêu có vai trò tương tự môi trường sống thể qua giá trị hàm mục tiêu cá thể, nói chung thuật tốn di truyền gồm tốn tử tái sinh, lai ghép đột biến BẮT ĐẦU KHỞI TẠO QUẦN THỂ BAN ÐẦU HÀM MỤC TIÊU XÁC ÐỊNH ÐƠ THÍCH NGHI CỦA CÁ THỂ KHÔNG THỎA MÃN THỎA MÃN CÁC CÁ THỂ PHÙ HỢP XUẤT KẾT QUẢ TÁI SINH TẠO MỘT THẾ HỆ MỚI LAI GHÉP ÐỘI BIẾN Hình 3.1 Sơ đồ khối mơ tả thuật toán di truyền -Toán tử tái sinh: Đây q trình mà cá thể lựa chọn theo giá trị hàm mục tiêu xem xét trình chọn lọc tự nhiên, cá thể bảo lưu cho vào tái sinh tùy theo mức độ thích nghi Hàm mục tiêu f(i) gán cho cá thể quần thể, cá thể có f(i) cao tốt Hàm mục tiêu khơng phi tuyến, không khả vi không liên tục Quá trình tái sinh điểu khiển số phép chọn lọc chọn lọc ngẫu nhiêu theo lý thuyết bánh xe Roulette, theo tỷ lệ nghịch, theo thứ hạng tuyến tính hay theo cạnh tranh cục - Tốn tử lại ghép toán tử đột biến: Trong thuật toán di truyền, số lượng cá thể quần thể hệ khơng đổi Tốn tử tái sinh chọn số cá thể có độ thích nghi cao loại bỏ cá thể có độ thích nghi thấp Sự thiếu hụt số lượng quần thể bổ xung việc lấy cá thể có độ thích nghi cao làm hệ cha mẹ để tạo hệ lai ghép đột biến Toán tử đột biến thay đổi chuỗi nhiễm sắc thể cách ngẫu nhiên để tạo tính đa dạng Phép đột biến điều 77 khiển xác xuất đột biến pm Nếu khơng đột biến, thuật tốn tìm kiếm không gian khởi tạo, pm lớn trình tìm kiếm trở thành tìm kiếm ngẫu nhiên Kết hệ hình thành có số lượng khơng đổi, gồm cá thể có độ thích nghi cao cá thể chúng qua lai ghép đột biến Trong thuật toán di truyền, ba toán tử tái sinh, lai ghép, đột biến áp dụng lặp nhiều lần để tạo chuỗi nhiễm sắc thể (nhiều hệ mới), số lượng nhiễm sắc thể vượt qua kích thước quần thể chọn ban đầu dừng lại 3.1.4.2 Xây dựng sơ đồ thuật toán Trên sở nội dung tốn “Xác định thơng số kỹ thuật hợp lý búa rung để hạ cọc ván thép vào đất nhiều lớp, có quan tâm đến chế tương tác phi tuyến thành phần lực cản động lớp đất tác dụng lên cọc ván thép trình làm việc” xây dựng mục 3.1.3 sở ứng dụng thuật toán di truyền để giải toán, luận án tiến hành xây dựng sơ đồ thuật tốn hình 3.2 Bắt đầu Khởi tạo quần thể thông số tính toán ban đầu p0 Thông số tính toán p' Tạo quần thể thông số tính toán p' Đột biến Gọi ch-ơng trình tính toán hệ "BRTL - CVT - ĐNL" để tính giá trị W(p'), Ztb(p') Lai ghép Hàm mục tiêu minCFW(p) pP Xác định độ thích nghi cá thể Không thỏa mãn Tái sinh Thỏa mãn Cá thể phù hợp Xuất kết tối -u p* KÕt thóc Hình 3.2 Sơ đồ thuật tốn ứng dụng thuật toán di truyền để giải toán xác định thông số hợp lý búa rung hạ cọc ván thép vào đất nhiều lớp a Nội dung thuật toán gồm bước sau: - Bước 1: t=0; Khởi tạo quần thể ban đầu p(t) = {x1,j,x2,j, ,xi,j } Quần thể ban đầu (gồm tập hợp thông số thiết kế ban đầu) lấy theo hàm ngẫu nhiên rand(0,1) viết tổng quát sau: xi, j rand(0,1)(U L) L (3.23) 78 Trong đó: i: Số cá thể hệ, i = 1, 2, …k; j: Số thông số thiết kế, j = 1,…, 5; U: Giá trị biên lớn thông số thiết kế; L: Giá trị biên nhỏ thông số thiết kế Hay biểu diễn quần thể khởi tạo ban đầu thông số thiết kế dạng véc tơ sau: S14 m 13 M e15 f11 m 112 S M f 24 m 23 m 22 e25 21 ; ; ; ; pi,1 pi,2 pi,4 pi,5 pi,3 m k3 m k Sk f k1 M ek5 (3.24) - Bước 2: Gọi chương trình tính thơng số kỹ thuật hệ “Búa rung - Cọc ván thép - Nền đất nhiều lớp” để tính cho giá trị thơng số thiết kế ban đầu (quần thể khởi tạo), từ xác định giá trị chi phí lượng riêng cho tường phương án thiết kế tương ứng với số liệu ban đầu quần thể khởi tạo; - Bước 3: Tính giá trị hàm mục tiêu cho quần thể p(t): Tính giá trị hàm mục tiêu CFW(p) cho véc tơ quần thể ban đầu Tìm giá trị hàm mục tiêu nhỏ quần thể khởi tạo (thế hệ trước) CFPmin(pi,j,1) - Bước 4: Xác định độ thích nghi cá thể quần thể p(t) kiểm tra điều kiện dừng Nếu thỏa mãn kết thúc trình tìm kiếm xuất kết Nếu khơng thỏa mãn tiếp tục bước k CFWmin (pi, j,1 ) CFW(p i 1 k i, j,1 ) (3.25) - Bước 5: Lựa chọn cá thể tái sinh toán tử tái sinh (lựa chọn); Trong thuật toán di truyền, cá thể có độ thích nghi tốt hệ trước giữ lại tạo cá thể lai ghép ui,j Nếu cá thể lai ghép thỏa mãn điều kiện: CFW(u i, j,g ) CFW(pi, j,g ) Trong đó: (3.26) CFW(ui,j,g): Giá trị hàm mục tiêu cá thể lai ghép; CFW(pi,j,g): Giá trị hàm mục tiêu cá thể lựa chọn để lai ghép hệ trước Khi đó, cá thể hệ gán sau: 79 pi, j,g1 ui, j,g (3.27) Hay: pi,1,g+1 = ui,1,g; pi,2,g+1 = ui,2,g; pi,3,g+1 = ui,3,g; pi,4,g+1 = ui,4,g; pi,5,g+1 = ui,5,g Còn trường hợp: CFW(u i, j,g ) CFW(pi, j,g ) (3.28) Thì giữ lại cá thể hệ trước làm cá thể hệ tiếp theo, nghĩa là: pi, j,g1 pi, j,g (3.29) Hay: pi,1,g+1 = pi,1,g; pi,2,g+1 = pi,2,g; pi,3,g+1 = pi,3,g; pi,4,g+1 = pi,4,g; pi,5,g+1 = pi,5,g - Bước 6: Tạo cá thể lai ghép toán tử lai ghép Trong thuật toán di truyền, trình lai ghép thực cá thể bố mẹ có độ thích nghi tốt giữ lại từ hệ trước Số lượng cá thể chọn để lại ghép thuật toán xác định thông qua hệ số tỷ lệ lai ghép “CrossoverFraction” Quá trình lai ghép thuật tốn di truyền thực dạng mã nhị phân kiểu lai ghép sau: + Lai ghép kiểu phân tán: C1 Mask1 P1 Mask P2 C2 Mask P1 Mask1 P2 Trong đó: (3.30) P1, P2: Chuỗi nhiễm sắc thể bố mẹ; C1, C2: Chuỗi nhiễm sắc thể hệ con; Mask1, Mask2: Sơ đồ lai ghép, Mask2 = NOT(Mask1); &: Tốn tử việc lai ghép Ví dụ: + Lai ghép kiểu chéo trung gian: C1 1P1 (1 1 )P2 C2 (1 1 )P1 1P2 Với: (3.31) 1 (1 2.lg ).r lg Ở đó: lg: Hệ số điều chỉnh phạm vi lai ghép (lg0); r: Hệ số ngẫu nhiên chọn khoảng (0,1) - Bước 7: Tạo cá thể đột biến toán tử đột biến Mặc dù tái sinh lai ghép sản sinh nhiều chuỗi khơng giới thiệu thông tin quần thể cấp độ bit Tái sinh lai ghép dùng lại thông tin có sẵn 80 hệ trước truyền lại cho hệ sau, đột biến tạo thơng tin hồn tồn Đột biến thay đổi bit chuỗi nhiễm sắc thể cách ngẫu nhiên để tạo tính đa dạng Phép đột biến điều khiển xác xuất đột biến pm Tuy nhiên, pm lớn, trình tìm kiếm trở thành tìm kiếm ngẫu nhiên Với chuỗi biện mới, áp dụng tốn tử đột biến với xác suất thấp pm có tác dụng chuyển bit từ thành hay ngược lại mà biến chọn lựa cách ngẫu nhiên Đột biến việc thay đổi trị số số chuỗi số, ví dụ đổi thành thành cho trường hợp chuỗi số hệ nhị phân So với toán tử lai ghép, tỷ lệ đột biến thấp nhiều, thông thường tỷ lệ lai ghép trung bình khoảng 0,6; tỷ lệ đột biến khoảng 0,001 tỷ lệ tái sinh khoảng 0,399 Để thực q trình đột biến, tốn tử đột biến cần xác định véc tơ quần thể đột biến thay véc tơ quần thể ban đầu không thỏa mãn điều kiện lại ghép Véc tơ đột biến xác định theo số biến hàm mục tiêu, tổng số cá thể quần thể (k) viết sau: vi,j x ro,j D.(x r1,j x r2,j ) (3.32) Trong đó: xro,j; xr1,j; xr2,j: Là giá trị ngẫu nhiên cá thể, xác định sau: xro,j = xr1,j = xr2,j = rand(0,1).k; (Với: r0,j r1,j r2,j) D: Hằng số đột biến; k: Kích thước quần thể Một số kiểu đột biến thuật toán di truyền: + Kiểu đột biến hai gen gần xa nhau: + Kiểu đột biến cách đảo ngược chuỗi con: Chọn ngẫu nhiên dãy gồm gen cá thể cha thông qua việc chọn hai gen tùy ý cách xa Sau đảo ngược dãy gồm gen để tạo đột biến: + Kiểu đột biến ba gen cách xa nhau: Ba gen cách xa hoán vị cho để tạo nên biến đổi, cách đột biến có nhiều cá thể tạo thành cách ngẫu nhiên: 81 + Kiểu đột biến cách dịch chuyển: Chọn ngẫu nhiên hai gen, sau chèn gen vào vị trí gen lại để tạo biến đổi: - Bước 8: Tạo quần thể p(t)=p’(t) với t = t+1 quay lại Bước b Các tùy chọn tính tốn thuật tốn: Trong trình xây dựng chương trình, luận án sử dụng hàm gaoptimset để thiết lập tùy chọn thuật toán tối ưu Để đơn giản đảm bảo chế độ chuẩn chương trình, luận án sử dụng tùy chọn mặc định sẵn thuật toán Matlab Nội dung cụ thể tùy chọn liệt kê bảng 3.2, giá trị {} giá trị mặt định Bảng 3.2 Các tùy chọn để thực q trình tính thuật toán di truyền Tùy chọn CreationFcn CrossoverFcn CrossoverFraction EliteCount FitnessLimit Chú giải Giá trị, hàm chế độ Xử lý chức hàm khởi tạo quần @gacreationuniform| thể ban đầu @gacreationlinearfeasible Xử lý chức lai ghép chéo @crossoverheuristic| {@crossoverscattered}| @crossoverintermediate| @crossoversinglepoint| @crossovertwopoint| @crossoverarithmetic Tỷ lệ cá thể lai ghép Số vô hướng dương| {0.8} quần thể tiếp theo, không gồm các thể tái sinh Là số nguyên dương xác định số lượng cá thể hệ tái sinh hệ Số nguyên dương| {2} {0.05*( Kích thước mặc định quần thể)} trường hợp khác Là đại lượng vô hướng Nếu hàm Đại lượng vơ hướng| {-Inf} thích nghi thỏa mãn điều kiện tối ưu thuật tốn dừng q trình tìm kiếm 82 FitnessScalingFcn Xử lý chức xác định độ lớn giá trị hàm thích nghi @fitscalingshiftlinear | @fitscalingprop| @fitscalingtop| {@fitscalingrank} Generations Là số nguyên dương xác định số lần lặp tối đa thuật toán di truyền Số nguyên dương|{100} Xử lý chức tiếp tục tối ưu sau GA kết thúc HybridFcn InitialPopulation Hoặc Function handle| @fminsearch| @patternsearch| @fminunc| @fmincon| { } Hoặc Mảng xác định hàm lai ghép cấu trúc tùy chọn Mảng 1x2| {@solver, hybridoptions}, Với solver = fminsearch, patternsearch, fminunc, fmincon { } Quần thể ban đầu khởi tạo thuật toán di truyền Ma trận| { } MigrationDirection Hướng tái sinh 'Cả trước sau'| {'Trước'} MigrationFraction Là giá trị vô hướng khoảng 0,1 , xác định tỷ lệ cá thể quần thể di chuyển đến quần thể khác MigrationInterval Là số nguyên dương xác định số lượng hệ mà có di chuyển cá quần thể Số nguyên dương| {20} MutationFcn Xử lý chức đột biến tạo hệ @mutationuniform| @mutationadaptfeasible| {@mutationgaussian} PopInitRange Là ma trận véc tơ xác định phạm Ma trận véc tơ| 0,1 vi cá thể quần thể khởi tạo ban đầu PopulationSize Kích thước quần thể, tổng số cá thể quần thể Số nguyên dương| {20} {min(max(10*số lượng tham số, 40), 100)} trường hợp khác SelectionFcn Xử lý chức lựa chọn hệ bố mẹ để lai ghép đột biến @selectionremainder| @selectionuniform| {@selectionstochunif}| Đại lượng vô hướng| {0.2} 83 @selectionroulette| @selectiontournament StallGenLimit Là số nguyên dương xác định số lượng hệ tối đa mà thuật toán dừng giá trị hàm mục tiêu không cải thiện Số nguyên dương| {50} StallTimeLimit Là giá trị vô hương dương xác định thời gian tối đa thuật toán dừng giá trị hàm mục tiêu không cải thiện Đại lượng vô hướng dương| {Vô cùng} TimeLimit Là giá trị vô hương dương xác định thời gian tối đa thuật toán dừng giá trị hàm mục tiêu không cải thiện Đại lượng vô hướng dương| {Cô cùng} TolCon Là giá trị vô hương dương xác định mức độ đáp ứng điều kiện dàng buộc phi tuyến Đại lượng vô hướng dương| {1e-6} Thuật tốn chạy thay đổi tích lũy giá trị hàm thích nghi vượt giá trị StallGenLimit mà nhỏ giá trị vô hương dương TolFun Đại lượng vô hướng dương| {1e-6} TolFun UseParallel Đồng thời tính tốn giá trị thích nghi 'Đồng thời'| {'Khơng đồng toàn quần thể thời'} 3.1.4.3 Xây dựng chương trình tính thơng số hợp lý Dựa thuật toán xây dừng, luận án tiến hành xây dựng chương trình tính tốn xác định thơng số kỹ thuật hợp lý búa rung để hạ cọc ván thép vào đất nhiều lớp dựa sở ứng dụng thuật toán di truyền phần mềm Matlab Nội dung chi tiết chương trình tính trình bày Phụ lục A.2 Ứng dụng chương trình tính xây dựng cho trường hợp cụ thể xác định thông số kỹ thuật hợp lý búa rung VH-QTUTCH70 (gồm hai thông số tần số rung (f) khối lượng phần treo búa (m1), thơng số khác mơ men lệch tâm trục gây rung (Me), khối lượng phần rung búa (m2), độ cứng hệ lò xo giảm chấn (S) coi không thay đổi thể phương trình 3.22), thơng số cọc sử dụng tính tốn thơng số cọc NSP-IIw, thơng số đất tính tốn dựa số liệu địa chất trụ T2 T3 cơng trình cầu Đồng Quang (Ba Vì, Hà Nội) hệ số thực nghiệm loại đất xác định Chương 84 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 3.2.1 Bộ số liệu đầu vào a Các thông số hợp lý cần xác định búa rung VH-QTUTC70 Như phân tích mục 3.1.1, tốn “Xác định thơng số kỹ thuật hợp lý búa rung để hạ cọc ván thép vào đất nhiều lớp, có quan tâm đến chế tương tác phi tuyến thành phần lực cản động lớp đất tác dụng lên cọc ván thép trình làm việc” xây dựng mục 3.1 toán tổng quát để xác định giá trị hợp lý cho toàn năm thông số kỹ thuật búa rung, trường hợp áp dụng cụ thể, xuất phát quan điểm nâng cao hiệu khai thác sử dụng búa rung q trình thi cơng nên luận án lựa chọn hai năm thông số kỹ thuật búa rung VHQTUTC70 để tính tốn tối ưu, thơng số có khả điều chỉnh trực tiếp búa rung hoạt động, qua điều chỉnh chế độ làm việc hợp lý búa rung q trình thi cơng hạ cọc ván thép vào đất nhiều lớp Hai thông số kỹ thuật búa rung VH-QTUTC70 lựa chọn để tính tốn gồm: - Tần số lực rung động búa rung, tìm khoảng f = 15 - 100 Hz; - Khối lượng khung treo búa rung, tìm khoảng m1 = - 2000 kg b Các thông số đầu vào: Các thông số đầu vào sử dụng tốn xác định thơng số kỹ thuật hợp lý búa rung VH-QTUTC70 thi công hạ cọc ván thép NSP-IIw vào đất nhiều lớp trụ T2 T3 cơng trình cầu Đồng Quang (Ba Vì, Hà Nội) bảng 3.3, thông số khác búa rung, cọc ván thép lớp đất đưa vào toán lấy mục 2.3 Chương Bảng 3.3 Thông số đầu vào để xác định thông số hợp lý búa rung VH-QTUTC70 TT Tên thông số Ký hiệu Giá trị Đơn vị Hệ số thực nghiệm 0 Hiệu suất truyền động khí ck Hiệu suất truyền động thủy lực tl 0,98 Chiều sâu hạ cọc lớn để tính tối ưu zmax m 3.2.2 Kết tính tốn thơng số hợp lý TT 1.1 Bảng 3.4 Các thông số kỹ thuật hợp lý búa rung Thông số thiết kế Ký hiệu Giá trị Đơn vị Với loại đất cát hạt nhỏ màu xám đen, chặt vừa (trụ T2) Khối lượng khung treo búa rung m1 1000 kg 85 1.2 Tần số rung búa rung Hàm mục tiêu Khối lượng khung treo búa rung 2.2 Tần số rung búa rung Hàm mục tiêu 1,159 Hz kW/m m1 1400 kg f 20,85 Hz CFW 2,124 kW/m Với loại cát hạt nhỏ màu xám đen, rời rạc (trụ T3) 3.1 Khối lượng khung treo búa rung 3.2 Tần số rung búa rung Hàm mục tiêu CFW 32,26 Với loại sét pha màu xám nâu, trạng thái nửa cứng (trụ T2) 2.1 f m1 1100 kg f 34,19 Hz CFW 1,283 kW/m Với loại đất cát hạt trung sỏi sạn lẫn sét, chặt vừa đến chặt (trụ T3) 4.1 Khối lượng khung treo búa rung 4.2 Tần số rung búa rung Hàm mục tiêu m1 1350 kg f 42,48 Hz CFW 2,301 Với loại đất sét pha màu xám nâu, trạng thái nửa cứng (trụ T3) 5.1 Khối lượng khung treo búa rung 5.2 Tần số rung búa rung Hàm mục tiêu kW/m m1 1500 kg f 20,19 Hz CFW 2,013 kW/m Hình 3.3 Đồ thị thể trình tìm kiếm thông số hợp lý búa rung với lớp đất cát hạt nhỏ màu xám đen, chặt vừa (trụ T2) 86 Hình 3.4 Đồ thị thể trình tìm kiếm thơng số hợp lý búa rung với sét pha màu xám nâu, trạng thái nửa cứng (trụ T2) Để đánh giá hợp lý thơng số tìm được, luận án sử dụng chương trình tính xây dựng Chương để chạy với thông số búa rung điều chỉnh theo thơng số hợp lý tìm (m1=1100 kg, f=32 Hz) với loại đất cát hạt nhỏ rời rạc (lớp trụ T2 lớp trụ T3), có chiều dày tính tốn 6m để kiểm chứng Lần lượt chạy chương trình với tần số búa rung f=30Hz, f=32Hz f=35Hz, kết thu hình 3.5 đến hình 3.13 Từ đồ thị dịch chuyển cọc (hình 3.5) ta thấy, ứng với giá trị tần số búa rung f=32Hz độ dịch chuyển cọc vào nhanh so với giá trị tần số lại (f= 30Hz f=35 Hz), nghĩa giá trị tần số rung f=32Hz giá trị hợp lý số giá trị tần số búa rung tính cho loại đất cát chọn Với giá trị hai thông số kỹ thuật (m1 f) búa rung mà ta tìm tương ứng với chế độ làm việc hiệu búa rung VH-QTUTC70 cho loại đất cụ thể Từ hình 3.12 ta thấy, đồ thị lực cản động thành cọc ứng với giá trị tần số rung hợp lý (f=35Hz) có biên độ nhỏ ba giá trị tính toán, tức giá trị thành phần lực cản động thành cọc ứng với tần số rung 35Hz có giá trị nhỏ so với giá trị lực cản động thành cọc ứng với tần số rung khác Trong đồ thị lực cản động mũi cọc gần không thay đổi (khoảng 17kN) với giá trị khác tần số rung (hình 3.13), nghĩa thành phần lực cản động không chịu ảnh hưởng nhiều tần số lực rung động 87 Hình 3.5 Dịch chuyển cọc (khi f=30, 32 35Hz) a) Gia tốc dịch chuyển cọc t = 20 s b) Gia tốc dịch chuyển cọc t = 40 s Hình 3.6 Gia tốc dịch chuyển cọc (khi f=30, 32 35Hz) 88 a) Gia tốc dịch chuyển khung treo t = 20 s b) Gia tốc dịch chuyển khung treo t = 40 s Hình 3.7 Gia tốc dịch chuyển khung treo (khi f=30, 32 35Hz) a) Vận tốc dịch chuyển cọc t = 20 s b) Vận tốc dịch chuyển cọc t = 40 s Hình 3.8 Vận tốc dịch chuyển cọc (khi f=30, 32 35Hz) 89 a) Vận tốc dịch chuyển khung treo t = 20 s b) Vận tốc dịch chuyển khung treo t = 40 s Hình 3.9 Vận tốc khung treo (khi f=30, 32 35Hz) a) Chuyển vị cọc t = 20 s b) Chuyển vị cọc t = 40 s Hình 3.10 Chuyển vị cọc (khi f=30, 32 35Hz) 90 a) Chuyển vị khung treo t = 20 s b) Chuyển vị khung treo t = 40 s Hình 3.11 Chuyển vị khung treo (khi f=30, 32 35Hz) a) Lực cản động thành cọc tổng thể theo thời gian b) Lực cản động thành cọc t=10 s c) Lực cản động thành cọc t=40 s Hình 3.12 Lực cản động thành cọc (khi f=30, 32 35Hz) 91 a) Lực cản động mũi cọc tổng thể theo thời gian hạ cọc b) Lực cản động mũi cọc t=10 s c) Lực cản động mũi cọc t=40 s Hình 3.13 Lực cản động thành cọc (khi f=30, 32 35Hz) Nhận xét: Luận án ứng dụng lý thuyết tối ưu để xây dựng chương trình tính tốn xác định thơng số kỹ thuật hợp lý búa rung hạ cọc ván thép vào đất nhiều lớp thông qua hàm chi phí lượng nhỏ cho đơn vị chiều sâu hạ cọc Kết nghiên cứu ứng dụng cho trường hợp cụ thể xác định hai thông số gồm tần số (f) khối lượng khung treo (m1) hợp lý búa rung VH-QTUTC70 loại đất trụ T2 T3 cơng trình cầu Đồng Quang Kết ứng dụng trình tính tốn, thiết kế khai thác sử dụng nhằm đem lại hiệu cao khắc phục hạn chế cố loại búa rung 92 KẾT LUẬN CHƯƠNG Xây dựng hàm mục tiêu chi phí lượng riêng nhỏ (công thức 3.17) để xác định thông số kỹ thuật hợp lý búa rung Đã xác định thông số đầu vào (mục 3.2.1) xây dựng chương trình tính tổng qt xác định thông số kỹ thuật hợp lý búa rung để hạ cọc ván thép vào đất nhiều lớp, có quan tâm đến chế tương tác phi tuyến thành phần lực cản động lớp đất tác dụng lên cọc ván thép trình làm việc (Phụ lục A2) Ứng dụng chương trình tính cho trường hợp cụ thể với búa rung thủy lực VHQTUTC70 hạ cọc ván thép NSP-IIw vào đất trụ T2 T3 cơng trình cầu Đồng Quang (Ba Vì, Hà Nội) xác định giá trị hợp lý hai thông số kỹ thuật búa rung tần số rung (f) khối lượng khung treo (m1), kết cụ thể bảng 3.5 Bảng 3.5 Kết tần số rung (f) khối lượng khung treo (m1) hợp lý búa rung Tên loại đất Lớp cát hạt nhỏ màu xám đen, chặt vừa Lớp cát hạt trung sỏi sạn lẫn sét, chặt vừa đến chặt Lớp sét pha màu xám nâu, trạng thái nửa cứng Khối lượng khung Tần số rung treo búa m1 = 10001100 kg f = 32,2634,19 Hz m1 = 1350 kg f = 42,48 Hz m1 = 14001500 kg f = 20,1920,85 Hz Đã kiểm chứng hợp lý kết tính tốn búa rung VHQTUTC70 hoạt động với giá trị thơng số hợp lý tìm (f, m1), tốc độ hạ cọc nhanh (thời gian hạ cọc nhỏ nhất) lực cản động thành cọc lớp đất tác dụng lên cọc có giá trị nhỏ 93 CHƯƠNG NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM QUÁ TRÌNH HẠ CỌC VÁN THÉP TẠI CƠNG TRÌNH THI CƠNG CẦU ĐỒNG QUANG (BA VÌ, HÀ NỘI) BẰNG BÚA RUNG DO VIỆT NAM CHẾ TẠO 4.1 MỤC ĐÍCH, ĐỐI TƯỢNG VÀ CÁC THƠNG SỐ NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM 4.1.1 Mục đích nghiên cứu thực nghiệm Xác định lực cản động đất tác dụng lên cọc ván thép trình hạ cọc búa rung vấn đề khó vơ phức tạp, khơng phụ thuộc vào thông số đất (loại đất tiêu lý), mà phụ thuộc vào thơng số búa rung (tần số, biên độ khối lượng búa rung) thông số cọc ván thép (diện tích mặt cắt, chu vi, tình trạng bề mặt cọc ) Đến nay, giới có nhiều cơng trình nghiên cứu cơng bố vấn đề này, song kết đạt nhiều hạn chế mang tính chất cục cho khu vực cụ thể thông qua hệ số thực nghiệm Ở nước ta, đến chưa có tác giả đề cập đến nghiên cứu thực nghiệm để xác định thành phần lực cản động đất tác dụng lên cọc ván thép hạ cọc búa rung, từ xác định hệ số thực nghiệm đưa vào q trình tính tốn lý thuyết Như biết, thành phần lực cản động đất tác dụng lên cọc ván thép trình rung hạ cọc gồm lực cản động thành cọc lực cản động mũi cọc Một phương pháp thường sử dụng để xác định thành phần lực cản phương pháp lý thuyết, tức phương pháp xây dựng công thức lý thuyết dựa tiêu lý đất xác định từ q trình thí nghiệm phòng ngồi trường Tuy nhiên, nhiều cơng trình nghiên cứu ([36], [39], [53], [71], [46], [43]) rằng, kết phương pháp lý thuyết thường tương đối khác biệt, điều cho thấy sai số lớn phương pháp tính tốn lý thuyết Vì để hạn chế sai số này, tác giả thường đưa vào cơng thức tính tốn lý thuyết hệ số thực nghiệm nhằm điều chỉnh sai lệch tính tốn lý thuyết với giá trị thực tế, hạn chế lý thuyết tính tốn hệ số lại đại diện cho điều kiện địa chất cụ thể khơng xác áp dụng cho điều kiện địa chất khác Vì vậy, để đảm bảo tính xác tính tốn lý thuyết, cần tiến hành thực nghiệm để xác định hệ số thực nghiệm điều kiện địa chất nghiên cứu Từ đó, luận án xác định mục tiêu nghiên cứu thực nghiệm thông số thực nghiệm để hồn thiện thơng số đầu vào cho chương trình tính tốn Chương 2, Chương kiểm chứng lại kết tính lý thuyết, nội dung cụ thể: 94 Xác định giá trị thành phần lực cản động loại đất vị trí hạ cọc tác dụng lên cọc ván thép q trình thi cơng búa rung thơng qua việc đo đạc biến dạng (ứng suất) mặt cắt cọc ván thép, ứng với giá trị chiều sâu dịch chuyển cọc vào đất, từ xác định giá trị lực cản động lớp đất tác dụng lên cọc tổng lực động búa rung tác động lên đầu cọc ván thép thay đổi thông số búa rung Xác định thông số động lực học hệ “búa rung - cọc ván thép - đất” trình làm việc thực tế gia tốc, vận tốc chuyển vị hay tốc độ hạ cọc qua lớp đất khác ứng với chế độ làm việc búa rung Xác định số hệ số thực nghiệm hệ số chảy lỏng (đất sét) hệ số hóa lỏng (đất cát), phục vụ cho lý thuyết tính tốn giá trị lực cản động loại đất vị trí thực nghiệm lên cọc ván thép đánh giá mức độ hiệu búa rung hạ cọc ván thép trình làm việc thực tế 4.1.2 Đối tượng nghiên cứu thực nghiệm 4.1.2.1 Máy sở: Cần trục sở chọn để lắp búa rung VH-QTUTCH70 cần thỏa mãn số yêu cầu đảm bảo đủ tổng cơng suất tồn hệ thống, đảm bảo điều kiện tích hợp với búa rung đảm bảo điều kiện ổn định Trên sở đó, luận án chọn cần trục Liebherr HS833HD làm cần trục sở tích hợp với búa rung VH-QTUTCH70 Hình 4.1 Đặc tính làm việc cần trục Hình 4.2 Đặc tính sức nâng tầm với cần Liebherr HS833HD trục Liebherr HS833HD Bảng Thơng số cần trục Liebherr HS833HD [51] Thông số Giá trị Thông số Giá trị Tải trọng nâng lớn 35 Công suất động cơ/số vòng quay 210 kW/1800 vòng/phút Chiều dài cần lớn 38 m 95 Tầm với lớn 22,4 m Áp suất lớn bơm thủy lực 350 bar Tầm với nhỏ 5,3 m Tổng trọng lượng máy 37,6 Hệ thống bơm thủy lực gồm 01 bơm cho hệ tời hàng (tời tời phụ) có lưu lượng 214 lít/phút; 02 bơm cho hệ thống di chuyển có lưu lượng 2x214 lít/phút; 01 bơm quay toa có lưu lượng bơm 193 lít/phút; 01 bơm tời nâng cần có lưu lượng 214 lít/phút; áp suất làm việc hệ thống 350 bar; thùng dầu tích 500 lít 4.1.2.2 Búa rung VH-QTUTC70 [19]: Cấu tạo thông số chi tiết búa rung VH-QTUTC70 nêu mục 2.3.1 4.1.2.3 Cọc ván thép NSP-IIw: Các thông số chi tiết cọc ván thép NSP-IIw nêu mục 2.3.1 4.1.2.4 Điều kiện địa chất vị trí làm thực nghiệm: Như phân tích Chương 2, luận án lựa chọn liệu địa chất vị trí trụ T2 T3 cầu Đồng Quang (Ba Vì, Hà Nội) [7] làm liệu đầu vào cho trường hợp tính tốn cụ thể chương trình tính tốn tổng qt hệ “Búa rung - cọc ván thép - Nền đất nhiều lớp” mà luận án xây dựng Chương Vì vậy, điều kiện địa chất chọn làm thực nghiệm chương vị trí trụ T2 T3 cầu Đồng Quang, cấu trúc địa chất tiêu lý lớp đất vị trí nêu chi tiết mục 2.3.1 4.1.3 Xác định thông số cần đo đạc thực nghiệm Các thông số thực nghiệm cần xác đinh (gồm thông số đo trực tiếp thông số đo gián tiếp) thể sơ đồ hình 4.3 KếT QUả đo trực tiếp Số vòng quay trục lệch tâm theo thời gian Độ dịch chuyển cọc theo thêi gian Gia tèc cđa cäc v¸n thÐp theo thêi gian Gia tèc cña khung treo theo thêi gian BiÕn dạng cọc ván thép theo chiều sâu hạ cọc thời gian Tần số rung búa Tốc độ hạ cọc theo thời gian Vận tốc dao động cọc ván thép theo thời gian Vận tốc dao động khung treo theo thời gian ứng suất mặt cắt cọc ván thép Chuyển vị cọc v¸n thÐp theo thêi gian Chun vi cđa khung treo theo thời gian Nội lực mặt cắt cọc ván thép Lực cản động đất Hệ số hóa lỏng, hệ số suy giảm sức kháng động KếT QUả đo gián tiếp Hỡnh 4.3 S cỏc thơng số cần xác định q trình thực nghiệm 96 - Lực cản động lớp đất lên cọc ván thép trình hạ cọc búa rung, gồm lực cản động mũi cọc lớp đất (Rt) lực cản động thành cọc lớp đất (Rs), thông số thực nghiệm quan trọng cần xác định, nhờ xác định hệ số thực nghiệm để điều chỉnh lý thuyết tính tốn cho phù hợp với điều kiện làm việc thực tế Từ xác định tổng lực cản động đất tác dụng lên cọc theo chiều sâu hạ cọc (R): R = Rt + R s (4.1) Giá trị lực động búa rung tạo tác dụng lên đầu cọc (Rd) xác định thông qua đo biến dạng đỉnh cọc ván thép (gần vị trí má kẹp), từ cho phép đánh giá mức độ hiệu sử dụng búa rung () 4.2 CƠNG TÁC CHUẨN BỊ THỰC NGHIỆM 4.2.1 Xây dựng mơ hình thực nghiệm Để xây dựng tốn thực nghiệm, cần nắm cấu tạo, nguyên lý hoạt động toàn hệ “cần trục sở - búa rung - cọc ván thép - đất” Cấu tạo tổng thể hệ búa rung lắp cần trục sở hình 4.4 Trong trình làm việc, lực rung động búa rung tạo truyền xuống đầu cọc ván thép làm cho cọc dao động, đất xung quanh thành cọc bị dao động Do cấu tạo đất gồm pha 1: Cäc v¸n thÐp 2: M¸ kĐp cäc 3: Bệ gây rung 4: Xà treo 5: Móc cẩu 6: Cáp nâng búa 7: Đ-ờng ống dẫn dầu thủy lực 8: Cần trục sở (rn, lng, khí) nên chịu tác dụng lực rung động làm phá vỡ kết cấu ban đầu đất bề mặt tiếp xúc với cọc vùng lân cận, hạt đất dao động xếp lại dẫn đến làm tăng áp lực nước lỗ rỗng gây áp lực đẩy Hình 4.4 Cấu tạo tổng thể hệ búa rung lắp cần trục sở Khi áp lực hiệu đất nhỏ không lúc hạt đất trạng thái nổi, trạng thái gọi trạng thái hóa lỏng (với đất cát - đất rời) trạng thái 97 chảy dẻo (với đất sét - đất dính) Khi trạng thái xảy thành phần lực cản đất lên cọc giảm nhiều so với phương pháp hạ cọc lực tĩnh Khi tần số lực rung động tính chất lý đất thay đổi, tốc độ hóa lỏng, chảy dẻo thay đổi Vậy nên, để tiến hành trình nghiên cứu thực nghiệm xác định lực cản động đất lên cọc ván thép búa rung cần tiến hành xác định loại đất, chiều dày lớp đất vị trí làm thực nghiệm Với cấu trục địa chất gồm nhiều lớp đất khác nhau, để xác định lực cản động lớp đất cần Hình 4.5 Sơ đồ mơ tả q trình tương tác cọc ván thép đất tác dụng lực động búa rung tạo dựa vào nội lực phát sinh mặt cắt dọc theo thân cọc ván thép thực nghiệm Từ tiến hành xây dựng phương án bố trí vị trí đầu đo cọc ván thép thực nghiệm cho phù hợp, lực cản động mũi cọc xác định thông qua nội lực phát sinh mặt cắt đầu đo bố trí mũi cọc; lực cản động thành cọc lớp đất xác định thông qua hiệu số nội lực phát sinh mặt cắt nằm ranh giới lớp Giá trị lực cản động thành lớp đất xác định hiệu số giá trị nội lực phát sinh cọc ván thép thời điểm mũi cọc ván thép hết chiều sâu với giá trị nội lực phát sinh cọc ván thép thời điểm mũi cọc ván thép bắt đầu vào lớp đất Giá trị lực cản động mũi cọc lớp đất xác định giá trị nội lực mặt cắt mũi cọc mũi cọc nằm lớp đất đó, giá trị nội lực giá trị biến đổi liên tục theo thời gian Gia tốc khung treo, cọc (thân búa rung) xác định thông qua đầu đo gia tốc, giá trị vận tốc chuyển vị xác định thông qua tích phân tín hiệu điện đầu đo gia tốc Độ dịch chuyển cọc ván thép vào đất xác định đầu đo độ dịch chuyển dài thông qua dây cáp gắn trực tiếp lên đầu cọc, đồng thời để tiện cho việc quan sát ngồi trường cọc ván thép kẻ vạch chiều sâu dịch chuyển cọc 98 11 13 m1 Thân búa phân gây rung m2 Pkt Má kẹp cäc mc d1( z2, ) d1 Rs1 d2 Rs2 d2( t2 z2, ) Líp di( ti z2, ) Líp Rsi di Líp i hi Khung treo Điểm gắn đầu đo gia tốc cọc 2, 6, 7, 8, Điểm gắn đầu đo biến dạng cọc Các vạch đánh dấu chiều dài cọc Điểm gắn đầu biến dạng dự phòng đầu cọc Điểm gắn đầu đo gia tèc dù phßng cđa cäc 10 Pu ly dÉn h-íng cáp đo độ dịch chuyển cọc 11 Pu ly gắn đầu đo độ dịch chuyển cọc 12 Đầu đo độ dịch chuyển cọc 13 Điểm gắn đầu ®o gia tèc khung treo h1 P0 h2 12 Khèi l-ợng động, md = m2 + mc Khối l-ợng búa rung, mb = m1+m2 Tỉng khèi l-ỵng cđa hƯ, mtong = m1 + m2 +mc 10 Rti Hình 4.6 Mơ hình thực nghiệm trình hạ cọc ván thép búa rung vào đất nhiều lớp Từ phân tích trên, luận án xây dựng mơ hình thực nghiệm hình 4.6, mơ hình thể sơ đồ tổng thể q trình thực nghiệm sơ đồ bố trí đầu đo 4.2.2 Xây dựng phương pháp đo 4.2.2.1 Đo thành phần lực cản động thông qua đo ứng suất (biến dạng) cọc ván thép Như phân tích trên, để xác định thành phần lực cản động đất tác dụng lên cọc ván thép cần xác định ứng suất (nội lực) mặt cắt thân cọc ván thép thông qua phương pháp đo biến dạng cọc điện trở (strain gause) [30] Biến dạng cọc ván thép thay đổi kích thước tác động nội lực phát sinh cọc ván thép gây ra, nội lực tạo thành phần lực cản đất tác dụng lên cọc trình hạ cọc Để đo biến dạng mặt cắt cọc ván thép, mặt cắt cần đo bố trí cụm đầu đo điện trở gồm: cụm bố trí bụng cọc ván thép, cụm lại bố trí cánh cọc ván thép (hình 4.20) Tại cụm đầu đo, để đảm bảo độ xác kết đo triệt tiêu giá trị sai số biến dạng nhiệt độ sinh ra, luận án sử dụng sơ đồ cầu đấu 1/2 với điện trở hình 4.7 99 D e e e A A e Cầu đấu điện trở D Hỡnh 4.7 Sơ đồ đấu điện trở (sơ đồ cầu đấu ½) Sơ đồ đấu hạn chế ảnh hưởng thay đổi nhiệt độ điện trở (A,D), điện áp đầu xác định cơng thức: e= Trong đó: GF ε bEl (4.2) GF: Hê số điện trở, GF=1+2ν+ dρ/ρ với hệ số Poisson ε b: Biến dạng 01 điện trở; El: Mô đun đàn hồi vật liệu làm điện trở Dây tính hiệu kết nối cụm đầu đo với thiết bị đo cần lựa chọn loại dây dẫn có trở kháng nhỏ nằm phạm vị cho phép để dễ cân trở kháng mạch đảm bảo độ xác phép đo, thơng thường tổng trở kháng dây dẫn tín hiệu khơng vượt q 1 4.2.2.2 Đo độ dịch chuyển cọc ván thép Luận án sử dụng thiết bị đo độ dịch chuyển dài Rotary encoder HE40B-6-1024-3T-24 để đo độ dịch chuyển cọc, thông qua việc đo độ dịch chuyển dài dây cáp (cũng độ dịch chuyển cọc ván thép) Sơ đồ nguyên lý trình đo độ dịch chuyển cọc ván thép hình 4.8 Trong đó, dây cáp đo độ dịch chuyển 4, đầu gắn cố định với khung treo búa rung (để dây không bị dao động búa rung hoạt động), đầu quấn vòng quanh pu ly giữ vật nặng (đối trọng) (hoặc bố trí người giữ căng đầu dây này) Đầu đo gắn lên trục pu ly 1, nên cọc dịch chuyển xuống kéo theo dây chuyển động làm quay pu ly 1, từ xác định số vòng quay pu ly theo thời gian Độ dịch chuyển cọc xác định thơng qua số vòng quay trục nhân với chu vi pu ly 1, số vòng quay xác định thơng qua xung điện theo thời gian đầu đo trục quay Để đảm bảo độ xác kết đo, dây cáp dẫn hướng qua pu ly treo đỉnh cần cần trục sở, nhờ dây cáp có phương trùng với phương dịch 100 chuyển búa rung (cọc ván thép) Ngồi ra, để quan sát q trình dịch chuyển 1: Pu ly 2: Trôc pu ly 3: Đầu đo 4: Dây dẫn động 5: Đối trọng Pu ly dÉn h-íng Khung treo bóa rung 14500 1300 500 800 cọc đo, thân cọc có chia vạch với cự ly vạnh chia cm (hình 4.9) 300 2500 5000 G Hình 4.8 Sơ đồ bố trí đầu đo độ dịch chuyển cọc 4.2.2.3 Đo số vòng quay trục gây rung Hình 4.9 Cọc thí nghiệm Dựa vào cấu tạo gây rung búa rung VH-QTUTC70 (hình 4.10) thấy, Ø180n6 Ø180 n6 d.18x30H7 n6 Ø85H7 n6 Ø85H7 n6 d.10x90H7 n6 d.10x90H7 n6 Ø85H7 n6 Ø90H7 n6 Ø85H7 n6 Ø85H7 n6 Ø150n6 Ø70H7 n6 Ø85H7 n6 Ø180 n6 Ø85H7 n6 Ø180 n6 D trục gây rung quay tốc độ, nên bố trí đầu đo trục D D-D Hình 4.10 Cấu tạo phân gây rung búa rung VH-QTUTC70 Việc đo vận tốc góc trục gây rung thực chất đo số vòng quay trục gây rung theo thời gian Hiện có nhiều biện pháp để đo số vòng quay trục chuyển động phương pháp đo trực tiếp (tiếp xúc), phương pháp quang học, phương pháp tần số chớp Qua phân tích đặc điểm tính phương pháp đo trên, luận án chọn đầu đo tần số chớp DT-5TRX-RMTR để đo tốc độ quay trục lệch tâm búa rung 101 Bộ thiết bị gồm đầu đo gắn trực tiếp lên đầu trục cần đo thiết bị đọc tín hiệu kết nối với đầu đo thông qua dây dẫn tín hiệu hình 4.11 Hình 4.11 Thiết bị đo số vòng quay trục gây rung DT-5TRX-RMTR 4.2.2.4 Đo gia tốc dao động hệ Để đo gia tốc dịch chuyển có hai phương pháp đo gồm phương pháp đo trực tiếp qua đầu đo gia tốc (gia tốc kế) phương pháp đo gián tiếp qua đạo hàm vận tốc [30] Ở đây, luận án sử dụng phương pháp đo gia tốc trực tiếp đầu đo gia tốc kiểu áp điện phương pháp có độ xác cao, dễ sử dụng Nguyên lý đầu đo gia tốc thể hình 4.12, đầu đo gia tốc (cảm biến gia tốc) gắn lên cọc ván thép khung treo búa, cảm biến biến gia tốc dịch chuyển thành tính hiệu điện, dân dẫn tín hiệu truyền chuyển đổi tín hiệu 2, tín hiệu điện lần chuyển đổi thành tín hiệu điện tử trước đưa thiết bị thu nhận, lưu trữ xử lý số liệu Hình 4.12 Sơ đồ bố trí thiết bị đo gia tốc 4.2.3 Quy trình thực nghiệm - Thu thập số liệu địa chất vị trí thực nghiệm, xác định chiều dày lớp đất vị trí thực nghiệm trước tổ chức thực - Chuẩn bị, tập kết cần trục cở sở, búa rung, cọc thí nghiệm đến vị trí thực nghiệm, tích hợp búa rung với máy sở, chế tạo cọc thí nghiệm, gắn đầu đo - Đấu nối thiết bị đo với đầu đo lắp đặt cọc máy sở 102 - Kiểm tra tình trạng hoạt động thiết bị đầu đo - Đo thử để kiểm tra hoạt động thiết bị đo đầu đo; tiến hành chỉnh hiệu chuẩn thiết bị đo; kiểm tra phối hợp nhân trình tổ chức đo đạc thực nghiệm công trường kết hợp thiết bị đo - Tiến hành tổ chức đo đạc thực nghiệm 4.2.4 Công tác chuẩn bị thực nghiệm 4.2.4.1 Chuẩn bị thiết bị đo đầu đo a Lá điện trở: Cấu tạo điện trở hình 4.13 Các thơng số điện trở sử dụng nghiên cứu thực nghiệm Phụ lục C.1 Hình 4.13 Cấu tạo điện trở b Thiết bị đọc lưu số liệu đo biến dạng: Luận án sử dụng thiết bị SDA380C (Dynamic Strainmeter) để đọc lưu liệu đầu đo biến dạng (các cụm điện trở) Thiết bị đo SDA380C có cổng đo biến dạng động thể hình 4.14 Thơng số thiết bị đo SDA380C trình bày Phụ lục C.1 c Thiết bị đo số vòng quay trục gây rung: Như phân tích phần 4.2.2.3, luận án sử dụng đầu đo tần số chớp DT5TRX-RMTR để đo số vòng quay trục gây rung Các thơng số thiết bị trình bày Phụ lục C.1 Hình 4.14 Sơ đồ nguyên lý thiết bị SDA830C d Thiết bị đo tốc độ dịch chuyển cọc Luận án sử dụng đầu đo Encoder mã hiệu HE40B-6-1024-3-T-24 (hình 4.15) để đo độ dịch chuyên cọc ván thép theo thời gian, đầu đo có độ phân giải 16 bít (độ xác 0,350) Bộ mã hóa tín hiệu vòng quay tương đối (còn gọi mã hóa vòng quay) thiết bị điện có khả biến đổi chuyển động dài (thẳng) chuyển động tròn thành tín hiệu xung (số) Hình 4.16 thể hình ảnh đầu đo lắp 103 đặt trục pu ly đo độ dịch chuyển cọc ván thép Các thông số đầu đo Encoder HE40B-6-1024-3-T-24 trình bày chi tiết Phụ lục C.1 Hình 4.16 Cụm đầu đo - pu ly Hình 4.15 Đầu đo độ dịch chuyển cọc e Thiết bị đo gia tốc rung động: Để đo gia tốc dao động cọc khung treo búa rung, luận án sử dụng đầu đo gia tốc dạng áp trở có mã hiệu AR-1F AR-2F hãng Tokyo Sokki KenKyujo Co.,Ltd sản xuất Các thơng số đầu đo gia tốc AR-1F AR-2F Phụ lục C.1 Hình 4.17 Đầu đo gia tốc AR-2F lắp Hình 4.18 Thiết bị đo gia tốc TDS-302 cọc ván thép thử nghiệm Tín hiệu đầu đầu đo gia tốc kiểu áp điện giá trị điện áp (tín hiệu analog) theo thời gian Thiết bị đo sử dụng để tích hợp với đầu đo gia tốc dạng áp điện thiết bị đo biến dạng TDS302 hãng Tokyo Sokki KenKyujo Co.,Ltd hình 4.19 Các thông số kỹ thuật thiết bị đo TDS302 thể Phụ lục C.1 4.2.4.2 Chuẩn bị mặt thực nghiệm, gồm: - Công tác chuẩn bị mặt (nội dung chi tiết xem Phụ lục C.1) - Xác định vị trí thực nghiệm (nội dung chi tiết xem Phụ lục C.1) - Chuẩn bị thiết bị thực nghiệm, cụ thể: + Chuẩn bị cần trục Liebherr HS833HD (nội dung chi tiết xem Phụ lục C.1) + Chuẩn bị búa rung VH-QTUTC 70 (nội dung chi tiết xem Phụ lục C.1) + Chuẩn bị chế tạo cọc ván thép thử nghiệm: Căn cấu trúc địa chất vị trí thực nghiệm (trụ T2, T3 cầu Đồng Quang), luận án tiến hành xây dựng cọc ván thép thử nghiệm hình 4.20 104 800 1300 3 22 500 11 3 10 11 14500 12 4 4 5 5000 5 2500 Cäc v¸n thÐp thư nghiƯm Hép ®Êu nèi tỉng TÊm ốp ngang bảo vệ dây tín hiệu Cụm điện trở đo biến dạng cánh phải Đầu đo gia tốc dịch chuyển cọc Cụm điện trở đo biến dạng bụng Cụm điện trở đo biến dạng cánh trái Đầu đo gia tốc dịch chuyển cọc (PDA) Đầu đo biến dạng (PDA) 10 Tấm ốp dọc bảo vệ dây tính hiệu 11 Dây tín hiệu cụm điện trở 12 Vạch chia xác định độ dịch chun cđa cäc 6 300 6 Hình 4.19 Sơ đồ cấu tạo cọc ván thép thử nghiệm Q trình gia cơng chế tạo cọc ván thép thí nghiệm phải tiến hành theo quy trình chặt chẽ nhằm đảm bảo đầu đo gắn quy cách đảm bảo tình trạng kỹ thuật chúng; đảm bảo đầu đo bảo vệ tốt không bị ảnh hưởng nhiệt hàn ốp vảo vệ Hình 4.20 Phủ keo bảo vệ điện trở Hình 4.21 Hàn ốp bảo vệ đầu đo dây sau dán vào cọc ván thép tín hiệu Chi tiết chế tạo cọc thử nghiệm, kiểm tra tình trạng hoạt động hiệu chỉnh thiết bị đo cọc thử nghiệm trình bày chi tiết Phụ lục C.1 105 d Chuẩn bị nhân sự: Căn nội dung, kế hoạch yêu cầu thực nghiệm, luận án tiến hành xây dựng kế hoạch nhân phục vụ công tác thực nghiệm trường dựa tiêu chí như: người phụ trách phải người có kinh nghiệm, có trình độ tốt; cán tham gia phải trình độ chun mơn có kỹ công tác lắp đặt, vận hành thiết bị đo; công nhân vận hành cần trục sở, búa rung phải có kinh nghiệm, có chun mơn danh sách nhân chi tiết xem Phụ lục C.1 4.2.5 Hiệu chuẩn thiết bị đo Để đảm bảo độ xác độ tin cậy kết thực nghiệm, công tác hiệu chuẩn đầu đo thiết bị đo cần phải thực đơn vị có đủ lực kiểm định, quan có thẩm quyền cấp phép phải giấy hiệu chuẩn hợp pháp quốc tế đầu đo thiết bị đo mà đơn vị nước chưa có khả kiểm định Các giấy hiệu chuẩn đầu đo thiết bị thực nghiệm trình bày Phụ lục C.3 luận án 4.3 CÔNG TÁC ĐO HIỆN TRƯỜNG 4.3.1 Trình tự thực trình thực nghiệm công trường - Công tác thực nghiệm công trường ngày cần thực theo trình tự sau: + Kiểm tra kỹ thuật cần trục sở trước ca làm việc Chạy khơng tải kiểm tra tình trạng làm việc cần trục sở búa rung + Đấu nối hệ thống thiết bị đo, máy tính với nguồn điện, sau khởi động, chạy thử để kiểm tra tình trạng hoạt động thiết bị đo máy tính + Kiểm tra tình trạng hệ thống dây dẫn tín hiệu từ đầu đo đến thiết bị đo + Dùng tời phụ cần trục nâng cọc ván thép thí nghiệm vào vị trí thực nghiệm + Dùng tời nâng búa rung lên để búa kẹp chặt vào đầu cọc ván thép thí nghiệm + Kết nối thiết bị đo với dây dẫn tín hiệu chạy thử trạng thái thiết bị thí nghiệm khơng hoạt động + Thiết lập chế độ đo thiết bị đo + Chạy thử khơng tải tồn hệ thống để kiểm tra động trình đo Khi thực tồn q trình khơng phát sinh cố lỗi tiến hành thực trình đo lưu trữ liệu - Sơ đồ ngun lý tích hợp tồn đầu đo với thiết bị đo thể hình 4.22 106 10 11 12 13 Máy sở Đ-ờng ống dầu thủy lực cÊp cho bóa rung C¸p treo pulley dÉn h-íng cáp đo độ dịch chuyển cọc Pulley dẫn h-ớng cáp đo dịch chuyên cọc Cáp đo độ dịch chuyển cọc Móc nâng búa Khung treo búa Thân búa (phần gây rung) Đầu đo số vòng quay trục gây rung 10 Má kẹp cọc 11 Đầu gia tốc biến dạng thiết bị đo PDA 12 Đầu đo dao động thiết bị VM5112-3 13 Đầu đo biến dạng thiết bị SDA830B 14 Dây dẫn tín hiệu đo 15 Đầu đo độ dịch chuyển cọc 14 15 THIếT Bị ĐO số vòng quay trục lệch tâm THIếT Bị ĐO dao động VM5112/3 THIếT Bị ĐO Độ DịCH THIếT Bị ĐO BIếN DạNG SDA 830B THIếT Bị ĐO PDA CHUYểN CủA CọC MáY TíNH ĐIệN Tử ống bảo vệ dây dẫn tín hiệu từ đầu đo nh¸nh Hình 4.22 Sơ đồ tổng thể q trình thực nghiệm công trường - Sơ đồ đấu nối đầu đo thiết bị đo hình 4.23 Sè vßng ø ng suÊt ø ng suÊt ø ng suÊt vòng quay phát sinh phát sinh phát sinh trục thân thân thân gây rung cọc mặt cọc mặt cọc mặt cắt 6-6 cắt 5-5 cắt 4-4 Đầu đo số vòng quay trục gây rung Đầu đo biến dạng cọc vàn thép mặt cắt 6-6 Đầu đo biến dạng cọc vàn thép mặt cắt 5-5 Đầu đo biến dạng cọc vàn thép mặt cắt 4-4 ứ ng suất phát sinh thân cọc mặt cắt 1-1 Độ dịch chuyển cọc vào đất Đầu đo Bộ đo độ biến dạng dịch chuyển cọc vàn cọc thép mặt HE40B cắt 1-1 -6-10243-T-24 Bộ chuyển đổi tín hiệu Thiết bị đọc số vòng quay trục gây rung Hộp đấu nối tín hiệu tổng Bộ chuyển đổi tín hiệu đo Thiết bị đo biến dạng SDA830B Gia tốc dịch chuyển đầu cọc Gia tốc rung ®éng cđa khung treo bóa Gia tèc dÞch chun cđa cọc búa Tổng lực cản đất tác dụng lên cọc Đầu đo gia tốc thiết bị VM Đầu đo dao động thiết bị VM Đầu đo gia tốc thiết bị PDA Đầu đo biến dạng thiết bị PDA 5112/3 5112/3 Bộ chuyển đổi tín hiệu đo Thiết bị đọc dự liệu đầu đo Bộ tích phân tín hiệu điện Bộ chuyển đổi tín hiệu đo Thiết bị đo dao động VM5112/3 MáY TíNH §IƯN Tư Hình 4.23 Sơ đồ đấu nối đầu đo v thit b o Thiết bị đo biến dạng lớn PDA (Dù phßng) 107 4.3.2 Tổ chức đo đạc thực nghiệm công trường a Đo biến dạng cọc ván thép để xác định ứng suất nội lực mặt cắt - Công tác kết nối đầu đo với thiết bị đo: Sau cọc ván thép thử nghiệm búa rung kép chặt, tiến hành đầu nối dây dẫn tín hiệu từ cụm đầu đo với thiết bị đo SDA830C Trước kết nối, dây dẫn tín hiệu phải kiểm tra thơng mạch điện trở Sau toàn dây dẫn cụm điện trở kết nối với thiết bị tiến hành khởi động thiết bị đo, tiến hành cân trở kháng cầu đấu hiệu chỉnh thiết bị, thiết lập chế độ làm việc thiết bị đo dải tín hiệu biến dạng đầu vào, tần số lọc, Các đầu đo biến dạng Thiết bị SDA380C Tín hiệu DC Bộ chuyển đổi ADC Tín hiệu số Máy tÝnh Hình 4.24 Hệ thống dây dẫn tín hiệu sau Hình 4.25 Sơ đồ đấu nối thiết bị kết nối với thiết bị đo SDA830C đo biến dạng SDA380C - Đo ghi số liệu: Để thực đo ghi liệu trình thực nghiệm, thiết bị SDA830C cần kết nối với máy tính cài đặt phần mềm chuyên dùng Việc kết nối máy tính với thiết bị thực thơng qua cổng RS232C thiết bị, sử dụng cáp CR-57 kèm với thiết bị đo Sau khởi động chương trình điều khiển thiết bị máy tính hồn tồn điều khiển chế độ chạy lưu liệu thành file dự liệu dạng số, việc thu lưu liệu thực nghiệm hồn tồn tự động máy tính [54] Tín hiệu biến dạng tín hiệu số thể thay đổi điện áp đầu đo b Đo gia tốc cọc ván thép để xác định thông số động lực học trình hạ cọc ván thép búa rung - Quá trình lắp đặt đầu đo thiết bị đo: Đầu đo gia tốc lắp vị trí, đầu đo đầu cọc (hình 4.26) đầu đo khung treo búa rung (hình 4.27) Các đầu đo gắn giá đỡ hàn chặt vào cọc ván thép khung treo 108 Hình 4.26 Đầu đo gia tốc cọc ván thép Hình 4.27 Đầu đo gia tốc khung treo bỳa rung Đầu đo gia tốc Đầu đo gia tèc Sau đầu đo lắp vào vị trí, tiến dÞch chun dÞch chun hành kết nối đầu đo với chuyển đổi tín hiệu thiết cđa cäc khung treo bóa bị đo theo sơ đồ hình 4.28 [55] - Để thực trình đo, thiết bị đo kết nối với máy tính có chương trình điều khiển thiết bị đo, ThiÕt bÞ TDS-302 TÝn hiƯu DC sau kết nối tiến hành chạy thử để kiểm tra tình trạng hoạt động đầu đo, sau tiến hành q trình đo để lấy dự liệu Các liệu lưu máy tính dạng file liệu số giá trị điện trở thay đổi theo Bé chun ®ỉi ADC TÝn hiƯu sè M¸y tÝnh thời gian Hình 4.28 Sơ đồ đấu nối thiết bị TDS-302 c Đo số vòng quay trục gây rung - Lắp đặt đầu đo thiết bị đo (DT-5TRX-RMTR): Để lắp đầu đo DT-5TRXRMTR vào búa rung, tiến hành gia công lỗ đường kính 10mm nắp đậy trục 1, sau lắp đầu đo vào lỗ gia công bôi kéo nhằm ngăn dầu khơng bị chảy ngồi (hình 4.29) Tiến hành kết nối dây dẫn từ đầu đo thiết bị chuyển đổi tín hiệu - Để thực trình đo lưu trữ liệu, thiết bị đo kết nối với chuyển đổi tín hiệu xung điện sang tín hiệu số, tín hiệu đưa vào máy tính quan phần mềm chuyên dùng để đọc lưu Dữ liệu thông số vòng quay trục lệch tâm lưu dạng tín hiệu số thể tốc độ quay trung bình theo thời gian Hình 4.29 Lắp đầu đo số vòng quay trục búa rung 109 d Đo độ dịch chuyển cọc đầu đo HE40B-6-1024-3-T-24 Cụm pu ly đầu đo độ dịch chuyển cọc ván thép gia công lắp đặt thành hồn chỉnh trước chuyển đến cơng trường (hình 4.30), dây dẫn tín hiệu đầu đo kết nối với chuyển đổi tín hiệu trước kết nối với máy tính Việc đo lưu liệu thực hoàn toàn tự động phầm mềm chuyên dùng sử dụng cho thiết bị máy tính, liệu lưu dạng số (là số xung đo thiết (góc quay đầu đo) theo thời gian Hình 4.30 Bộ đầu đo HE40B-61024-3-T-24 gắn trục pulley đo độ dịch chuyển 4.4 XỬ LÝ SỐ LIỆU 4.4.1 Cơ sở lý thuyết xử lý số liệu Cơ sở lý thuyết công tác xử lý số liệu trình bày chi tiết Phụ lục C.1 luận án, gồm nội dung: a Đo nội lực cọc ván thép: - Xác định giá trị biến dạng mặt cắt ngang cọc ván thép: εi =V.X i bd Trong đó: (4.3) i: Biến dạng tương đối mặt cắt i; Xbd: Hệ số thiết lập chế độ đo thiết bị; Vi: Điện áp cụm đầu đo mặt cắt i - Ứng suất mặt cắt i cọc ván thép, kN/m2: i =E.εi (4.4) - Nội lực mặt cắt i cọc ván thép, kN: Ni =σi A (4.5) - Xác định thành phần lực cản động đất tác dụng lên cọc ván thép: + Lực cản động mũi cọc: Trong đó: R tk = N6k =σ6k A (4.6) Rtk: Lực cản mũi cọc lớp đất thứ k, kN; N6k: Nội lực mặt cắt 6-6 cọc thử nghiệm lớp đất thứ k, kN; 6k: Ứng suất cọc ván thép mặt cắt 6-6 với lớp đất thứ k, kN/m2 + Lực cản thành động: Trong đó: R sz = N1z -N6k -Gcvt(6) =(σ1z -σ6k ).A-gcvt l6 (4.7) Rsz: Lực cản thành động chiều sâu z, kN; 1z: Ứng suất cọc ván thép mặt cắt 1-1 chiều sâu z, kN/m2; gcvt: Trọng lượng mét dài cọc ván thép; 110 l6: Chiều dài cọc ván thép từ mũi cọc đến mặt cắt 6-6 - Lực cản động mũi cọc thành cọc đơn vị tính cơng thức: q tk = fsk = Trong đó: R tk A (4.8) R sz(k) (4.9) h k χ hk: Chiều dày lớp đất thứ k, m; Rtk: Lực cản mũi lớp đất thứ k, kN: R tk = N6k =σ6k A (4.10) Rsz(k): Lực cản thành động lớp đất thứ k, kN: R sz(k) = N1z(k) - N6k - N1z(k-1) =(σ1z(k) - σ6k - σ1z(k-1) ).A (4.11) Với: Rsz(k-1): Lực cản thành động chiều sâu z(i-1), kN; 1z(k): Ứng suất cọc ván thép mặt cắt 1-1 chiều sâu z(k), kN/m2; 1z(k-1): Ứng suất cọc ván thép mặt cắt 1-1 chiều sâu z(k-1), kN/m2 b Độ dịch chuyển cọc ván thép: z = X.0,35.(2./360).(Dpl/2) Trong đó: (4.12) 0,35: Góc quay pulley hai xung liên tiếp, độ; X: Số xung mà đầu đo đếm được; Dpl: Đường kính pulley gắn đầu đo encoder đo độ dịch chuyển cọc, m c Gia tốc, vận tốc chuyển vị hệ: - Gia tốc dịch chuyển cọc ván thép: Trong đó: a c =K AR-2F Vc XAR-2F (4.13) Vc: Điện áp thu từ đầu đo gia tốc AR-2F cọc ván thép, V; KAR-2F: Hệ số thiết lập chế độ đo chuẩn thiết bị đầu đo; XAR-2F: Hệ số hiệu chuẩn đầu đo AR-2F - Gia tốc dịch chuyển khung treo búa rung: a kh =K AR-1F Vkh XAR-1F Trong đó: (4.14) Vkh: Điện áp đầu đo gia tốc AR-1F khung treo búa rung, V; KAR-1F: Hệ số thiết lập chế độ đo chuẩn thiết bị đầu đo; XAR-1F: Hệ số hiệu chuẩn đầu đo AR-1F - Xác định vận tốc chuyển vị cọc ván thép khung treo búa rung: Vận tốc chuyển vị cọc ván thép, khung treo búa rung thu từ tích phân tính hiệu điện áp thu từ đầu đo gia tốc d Số vòng quay trục gây rung: 111 n=Y Trong đó: Δφ 60 360 (4.15) n: Số vòng quay phút trục lệch tâm, vòng/phút; =0,0288: Góc quay hai xung liên tiếp, độ; Y: Số xung mà đầu đo đếm giây, lần/s; 360: Góc quay để trục lệch tâm thực hết vòng; 60: Hệ số quy đổi thời gian tính e Hệ số hóa lỏng, hệ số chảy lỏng đất hạ cọc ván thép búa rung: - Đối với đất cát: Từ công thức sức kháng động thành cọc sức kháng động mũi cọc mơ hình đất theo tác giả Vibdrive, luận án xây dựng công thức xác định hệ số hóa lỏng mũi cọc hệ số hóa lỏng thành cọc: ti si Trong đó: R max ti ei (1 ei ).e1/R f i R t _ tinh _ i (1 ei ).(1 e1/R fi ) R simax ei (1 ei ).e1/R f i R s _ tinh _ i (1 ei ).(1 e1/R fi ) (4.16) (4.17) i=ai/g: Tỷ suất gia tốc thời điểm tính Rfi: Hệ số sức kháng (fsi/qci*100) thu từ kết thí nghiệm CPT tính cho lớp đất cát xét, % R max ti : Sức kháng động mũi cọc lớn chu kỳ gia tải lớp đất cát thứ i tính cho chiều sâu hti, kN; R t_tinh_i : Sức kháng tĩnh mũi cọc lớp đất cát thứ i tính theo cơng thức (4.17), kN; R simax : Sức kháng động thành cọc lớn chu kỳ gia tải lớp đất cát thứ i tính cho chiều sâu hti, kN; R s_tinh_i : Sức kháng tĩnh thành cọc lớp đất cát thứ i tính cho chiều sâu hti, tính theo cơng thức (4.18), kN; R t_tinh_i =qsi A t (4.18) R s_tinh_i =χ. si h ti (4.19) Với: qsi: Sức kháng tĩnh đơn vị mũi cọc lớp đất cát thứ i, kN/m2; 112 si: Sức kháng tĩnh đơn vị thành cọc lớp đất cát thứ i, kN/m2; hti: Chiều sâu cọc dịch chuyển vào lớp đất cát thứ i, m - Đối với đất sét (sét pha): Từ công thức sức kháng động thành cọc sức kháng động mũi cọc mơ hình đất theo tác giả Alain Holeyham, luận án xây dựng công thức xác định hệ số chảy lỏng mũi cọc hệ số chảy lỏng thành cọc: / ti / si R max ti ei (1 ei ).e3/R f i R t _ tinh _ i (4.20) (1 ei ).(1 e3/R fi ) R simax ei (1 ei ).e3/R f i R s _ tinh _ i (4.21) (1 ei ).(1 e 3/R fi ) 4.4.2 Xử lý kết đo 4.4.2.1 Xử lý kết đo ứng suất nội lực cọc cán thép a Kết thô: Kết thu từ đầu đo biến dạng (lá điện trở) mặt cắt 6-6; 5-5; 4-4 1-1 (hình 4.31) giá trị điện áp biến thiên theo thời gian (bảng 4.2) Trong đó, giá trị điện áp cổng Dev2_ai0, Dev2_ai1 Dev2_ai2 tín hiệu đo cụm đầu đo số (bản bùng), số (cánh trái) số (cánh phải) cọc ván thép mặt cắt 6-6 Tương tự Dev2_ai3, Dev2_ai4 Dev2_ai5 tín hiệu đo cụm đầu đo mặt cắt 5-5; Dev2_ai6, Dev2_ai7 Dev1_ai0 tín hiệu đo cụm đầu đo mặt cắt 4-4; Dev1_ai1, Dev1_ai2 Dev1_ai3 tín hiệu đo cụm đầu đo mặt cắt 1-1 14500 5000 800 2500 300 Hình 4.31 Sơ đồ bố trí mặt cắt đo biến dạng cọc ván thép thử nghiệm Bảng 4.2 Kết thô đo biến dạng (ứng suất) mặt cắt cọc ván thép (lần 1, trụ T2, tần số f = 15 Hz) Time* Dev2_ai0 Dev2_ai1 Dev2_ai2 Dev2_ai3 Dev2_ai4 Dev2_ai5 Dev2_ai6 Dev2_ai7 Dev1_ai0 Dev1_ai1 Dev1_ai2 Dev1_ai3 0,00000 0,00000 0,00000 0,00000 0,00000 0,00000 0,00000 0,00000 0,00000 0,00000 0,00000 0,00000 0,00000 0,00200 -0,00142 -0,00143 -0,00142 -0,00142 -0,00142 -0,00142 -0,00143 -0,00142 -0,00142 -0,00130 -0,00132 -0,00129 0,00400 -0,00293 -0,00293 -0,00293 -0,00293 -0,00293 -0,00293 -0,00292 -0,00293 -0,00293 -0,00283 -0,00288 -0,00290 …… …… …… …… …… …… …… …… …… …… …… …… …… Ghi chú: Kết cụ thể kết lần đo khác in chi tiết Phụ lục C.2.1 b Kết ứng suất, nội lực thu từ trình xử lý kết đo 113 Bảng 4.3 Kết ứng suất mặt tổng lực cản đất lên cọc ván thép(lần 1, trụ T2, tần số f = 15 Hz) Thời gian, s Ứng suất 6, kN/m2 Ứng suất 5, kN/m2 Ứng suất 4, kN/m2 Ứng suất 1, kN/m2 Tổng lực cản, kN - 0 0 0,002 -298,84971 -298,68113 -298,76065 -274,11632 -2,15730 0,004 -614,88148 -614,86054 -614,57087 -602,67971 -4,74309 0,006 -824,12712 -824,11479 -823,84644 -802,61138 -6,31655 … ……… ……… ……… ……… ……… Bảng 4.4 Kết ứng suất mặt cắt tổng lực cản đất lên cọc ván thép (lần 1, trụ T2, tần số f = 20 Hz) Thời gian, s Ứng suất 6, kN/m2 Ứng suất 5, kN/m2 Ứng suất 4, kN/m2 Ứng suất 1, kN/m2 Tổng lực cản, kN 0 0 0 0,002 -397,772 -397,491 -397,831 -380,416 -2,994 0,004 -732,515 -732,211 -732,428 -703,520 -5,537 … ……… ……… ……… ……… ……… Bảng 4.5 Kết ứng suất mặt cắt tổng lực cản đất lên cọc ván thép (lần 1, trụ T2, tần số f = 25 Hz) Thời gian, s Ứng suất 6, kN/m2 Ứng suất 5, kN/m2 Ứng suất 4, kN/m2 Ứng suất 1, kN/m2 Tổng lực cản, kN 0 0 0 0,002 -421 -421 -421 -407 -3,20 0,004 -825 -825 -825 -813 -6,40 … ……… ……… ……… ……… ……… Bảng 4.6 Kết ứng suất mặt cắt tổng lực cản đất lên cọc ván thép (lần 1, trụ T2, tần số f = 30 Hz) Thời gian, s Ứng suất 6, kN/m2 Ứng suất 5, kN/m2 Ứng suất 4, kN/m2 Ứng suất 1, kN/m2 Tổng lực cản, kN 0 0 0,00 0,002 -577 -577 -577 -569 -4,48 0,004 -883 -883 -883 -873 -6,87 … ……… ……… ……… ……… ……… Bảng 4.7 Kết ứng suất mặt cắt tổng lực cản đất lên cọc ván thép (lần 1, trụ T2, tần số f = 35 Hz) Thời gian, s Ứng suất 6, kN/m2 Ứng suất 5, kN/m2 Ứng suất 4, kN/m2 Ứng suất 1, kN/m2 Tổng lực cản, kN 0 0 0,00 0,002 -559 -559 -559 -547 -4,30 0,004 -977 -976 -977 -951 -7,49 … ……… ……… ……… ……… ……… Ghi chú: Kết cụ thể kết lần đo khác thể Phụ lục C.3 4.4.2.2 Xử lý kết đo gia tốc, vận tốc chuyển vị hệ a Kết thô: Kết thu từ đầu đo gia tốc giá trị điện áp theo thời gian (bảng 4.8) Trong đó, tín hiệu điện áp cổng Dev1_ai4 đến Dev1_ai6 tín 114 hiệu gia tốc, vận tốc chuyển vị đầu đo gia tốc cọc ván thép; Dev1_ai7 đến Dev1_ai9 tín hiệu gia tốc, vận tốc chuyển vị đầu đo gia tốc khung treo Bảng 4.8 Kết thô đo gia tốc, vận tốc, chuyển vị hệ (lần 1, trụ T2, tần số f=15 Hz) Thời gian, s Dev1_ai4 Dev1_ai5 Dev1_ai6 Dev1_ai7 Dev1_ai8 Dev1_ai9 0,00000 0,0000 0,0000 0,0000 0,0000 0,0000 0,0000 0,00200 0,17624 0,03458 0,00009 0,06085 0,00962 0,00006 …… …… …… …… …… …… …… Ghi chú: Kết cụ thể kết lần đo khác in chi tiết Phụ lục C.2.2 b Kết gia tốc, vận tốc, chuyển vị cọc ván thép khung treo thu từ trình xử lý kết đo Bảng 4.9 Kết gia tốc, vận tốc, chuyển vị hệ (lần 1, trụ T2, tần số f = 15 Hz) Thời gian, s Gia tốc z2, m/s2 Vận tốc z2, m/s Chuyển vị z2, m Gia tốc z1, m/s2 Vận tốc z1, m/s Chuyển vị z1, m Dịch chuyển cọc, mm 0,00000 0,00000 0,00000 0,00000 0,00000 0,00000 0,00000 0,002 17,28882 0,03458 0,00009 5,9692 0,0096 0,0001 0,59360 0,004 23,42299 0,08142 0,00030 6,6353 0,0205 0,0001 0,80530 … … … … … … … … Bảng 4.10 Kết gia tốc, vận tốc, chuyển vị hệ (lần 1, trụ T2, tần số f = 20 Hz) Thời gian, s Gia tốc z2, m/s2 Vận tốc z2, m/s Chuyển vị z2, m Gia tốc z1, m/s2 Vận tốc z1, m/s Chuyển vị z1, m Dịch chuyển cọc, mm 0 0 0 0 0,002 26,84 0,0537 0,0001 5,4929 0,0139 0,0001 0,6433 0,004 42,00 0,1377 0,0005 10,1589 0,0291 0,0001 1,0012 … … … … … … … … Bảng 4.11 Kết gia tốc, vận tốc, chuyển vị hệ (lần 1, trụ T2, tần số f = 25 Hz) Thời gian, s Gia tốc z2, m/s2 Vận tốc z2, m/s Chuyển vị z2, m Gia tốc z1, m/s2 Vận tốc z1, m/s Chuyển vị z1, m Dịch chuyển cọc, mm 0,00 0 0 0 0,002 42,82492 0,08565 0,00022 11,07520 0,01917 0,00006 0,72639 0,004 71,65241 0,22895 0,00082 14,48796 0,04904 0,00019 1,36768 … … … … … … … … Bảng 4.12 Kết gia tốc, vận tốc, chuyển vị hệ (lần 1, trụ T2, tần số f = 30 Hz) Thời gian, s Gia tốc z2, m/s2 Vận tốc z2, m/s Chuyển vị z2, m Gia tốc z1, m/s2 Vận tốc z1, m/s Chuyển vị z1, m Dịch chuyển cọc, mm 66,0919 0,1322 0,0003 15,3965 0,0287 0,0001 0,8474 0,002 114,1305 0,3604 0,0013 23,2797 0,0761 0,0003 1,8484 0,004 147,2096 0,5227 0,0023 32,8382 0,1082 0,0005 3,1474 … … … … … … … … 115 Bảng 4.13 Kết gia tốc, vận tốc, chuyển vị hệ (lần 1, trụ T2, tần số f = 35 Hz) Thời gian, s Gia tốc z2, m/s2 Vận tốc z2, m/s Chuyển vị z2, m Gia tốc z1, m/s2 Vận tốc z1, m/s Chuyển vị z1, m Dịch chuyển cọc, mm 0,00 0 0 0 0,002 98,76 0,1975 0,0005 21,5476 0,0422 0,0001 1,0172 0,004 170,12 0,5377 0,0019 37,4544 0,1089 0,0004 2,4846 … … … … … … … … Ghi chú: Kết cụ thể kết lần đo khác in chi tiết Phụ lục C.3 4.4.2.3 Xử lý kết đo chuyển dịch cọc (Encoder) Bảng 4.14 Kết đo độ dịch chuyển cọc (lần 1, trụ T2, tần số f = 15 Hz) Thời gian đo, s Signal* pulse no Độ dịch chuyển cọc, mm Tốc độ hạ cọc, mm/s 0 0 0,001051 1 0,5036955 100,6767 0,002101 1,007391 100,6760 …… …… …… …… …… Bảng 4.15 Kết đo độ dịch chuyển cọc (lần 1, trụ T2, tần số f = 20 Hz) Thời gian đo, s Signal* pulse no Độ dịch chuyển cọc, mm Tốc độ hạ cọc, mm/s 0 0 0,004016 1 0,5036955 125,4268 0,008032 1,007391 125,4261 …… …… …… …… …… Bảng 4.16 Kết đo độ dịch chuyển cọc (lần 1, trụ T2, tần số f = 25 Hz) Thời gian đo, s Signal* pulse no Độ dịch chuyển cọc, mm Tốc độ hạ cọc, mm/s 0 0 0,003665 1 0,5036955 137,4269 0,007330 1,007391 137,4263 …… …… …… …… …… Bảng 4.17 Kết đo độ dịch chuyển cọc (lần 1, trụ T2, tần số f = 30 Hz) Thời gian đo, s Signal* pulse no Độ dịch chuyển cọc, mm Tốc độ hạ cọc, mm/s 0 0 0,003550 1 0,5036955 141,8868 0,007100 1,007391 141,8863 …… …… …… …… …… Bảng 4.18 Kết đo độ dịch chuyển cọc (lần 1, trụ T2, tần số f = 35 Hz) Thời gian đo, s Signal* pulse no Độ dịch chuyển cọc, mm Tốc độ hạ cọc, mm/s 0 0 0,003517 1 0,5036955 143,2270 0,007034 1,007391 143,2266 …… …… …… …… …… Ghi chú: Kết cụ thể kết lần đo khác in chi tiết Phụ lục C.2.3 116 4.5 PHÂN TÍCH KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM 4.5.1 Kết tốc độ hạ cọc độ dịch chuyển cọc ván thép a Tổng hợp kết thực nghiệm - Lần thực nghiệm 1, trụ T2 Bảng 4.19 Tổng hợp tốc độ hạ cọc qua lớp đất trụ T2 Giá trị tốc độ hạ cọc đỉnh (v1) cuối (v2) lớp thời gian cọc qua Chú lớp đất TT thích Tần v1, v2, Thời v1, v2, Thời v1, v2, Thời số m/s m/s gian, s m/s m/s gian, s m/s m/s gian, s Lần thực nghiệm (LKT2) 1 15 20 25 30 35 lớp đất 100,7 92,7 52,6 100,5 92,9 52,7 100,4 93,0 52,8 lớp 92,7 85,4 129,0 92,9 85,8 128,8 93,0 85,7 129,0 lớp 125,4 118,9 41,8 124,9 119,0 41,8 124,7 116,0 42,4 lớp 118,9 110,1 101,2 119,0 109,4 101,6 116,0 106,8 103,6 lớp 137,4 131,0 37,9 137,5 131,6 37,9 137,4 131,5 37,9 lớp 131,0 120,6 91,7 131,6 120,7 91,9 131,5 120,6 92,0 lớp 141,9 135,9 36,7 141,9 135,7 36,7 141,9 135,9 36,6 lớp 135,9 120,6 88,8 135,7 120,7 89,0 135,9 120,6 88,7 lớp 143,2 138,8 36,1 143,5 139,3 36,0 143,3 139,5 36,0 lớp 138,8 125,6 87,6 139,3 126,5 85,3 139,5 126,2 87,2 lớp - Lần thực nghiệm trụ T3 Bảng 4.20 Tổng hợp tốc độ hạ cọc qua lớp đất trụ T3 Giá trị tốc độ hạ cọc đỉnh (v1) cuối (v2) lớp thời gian cọc qua lớp đất TT Tần số v1, m/s v2, m/s Thời gian, s v1, m/s 15 20 25 Thời gian, s Lần thực nghiệm (LKT3) v2, m/s Chú thích lớp đất 100,5 98,6 15,7 100,9 97,9 15,7 lớp 98,6 82,7 103,1 97,9 84,9 103,1 lớp 82,7 80,2 134,4 84,9 82,4 134,4 lớp 125,8 122,4 12,5 125,8 122,7 12,5 lớp 122,4 108,6 80,8 122,7 109,5 80,8 lớp 108,6 105,7 104,6 109,5 105,0 104,6 lớp 138,1 136,0 11,4 138,7 135,8 11,4 lớp 136,0 125,2 71,8 135,8 125,1 71,8 lớp 125,2 121,7 92,5 125,1 121,7 92,5 lớp 117 30 35 142,2 140,4 11,0 142,1 140,6 11,0 lớp 140,4 129,6 69,5 140,6 133,2 69,5 lớp 129,6 124,2 89,7 133,2 128,4 89,7 lớp 143,5 142,2 10,9 143,9 142,8 10,9 lớp 142,2 131,7 68,2 142,8 137,8 68,2 lớp 131,7 126,7 87,9 137,8 132,3 87,9 lớp - Đồ thị tốc độ hạ cọc ván thép theo chiều sâu hạ cọc ứng với giá trị tần số búa rung 15, 20, 25, 30, 35 Hz thể từ hình 4.32 đến hình 4.36 Hình 4.32 Tốc độ hạ cọc ván thép theo chiều sâu hạ cọc (lần 1, trụ T2) Hình 4.33 Tốc độ hạ cọc ván thép theo chiều sâu hạ cọc (lần 2, trụ T2) Hình 4.34 Tốc độ hạ cọc ván thép theo chiều sâu hạ cọc (lần 3, trụ T2) Hình 4.35 Tốc độ hạ cọc ván thép theo chiều sâu hạ cọc (lần 4, trụ T3) Hình 4.36 Tốc độ hạ cọc ván thép theo chiều sâu hạ cọc (lần 5, trụ T3) Hình 4.37 Dịch chuyển cọc ván thép chiều sâu hạ cọc z =250 đến 280 mm (lần 1, f=15 Hz, trụ T2) 118 Hình 4.38 Dịch chuyển cọc ván thép chiều sâu hạ cọc z =11,970 đến 11,989m (lần 1, f=15 Hz, trụ T2) Hình 4.39 Dịch chuyển cọc ván thép chiều sâu hạ cọc z =250 đến 280 mm (lần 1, f=20 Hz, trụ T2) Hình 4.40 Dịch chuyển cọc ván thép chiều sâu hạ cọc z =250 đến 280 mm (lần 1, f=25 Hz, trụ T2) Hình 4.41 Dịch chuyển cọc ván thép chiều sâu hạ cọc z =11,820 đến 11,850m (lần 1, f=25 Hz, trụ T2) Hình 4.42 Dịch chuyển cọc ván thép chiều sâu hạ cọc z =250 đến 280 mm (lần 1, f=30 Hz, trụ T2) Hình 4.43 Dịch chuyển cọc ván thép chiều sâu hạ cọc z =11,870 đến 11,900m (lần 1, f=30 Hz, trụ T2) Hình 4.44 Dịch chuyển cọc ván thép chiêu sâu hạ cọc z =250 đến 280 mm (lần 1, f=35 Hz, trụ T2) Hình 4.45 Dịch chuyển cọc ván thép chiêu sâu hạ cọc z =10,980 đến 10,990m (lần 1, f=35 Hz, trụ T2) 119 b Phân tích đánh giá kết thực nghiệm Các hình từ 4.32 đến 4.36 biểu diễn đồ thị quan hệ tốc độ hạ cọc ván thép vào đất trụ T2 T3 theo chiều sâu hạ cọc tần số lực rung động, từ đồ thị cho thấy tốc độ hạ cọc hàm nhiều yếu tố yếu tố liên quan đến búa rung, yếu tố liên quan đến địa chất lớp đất số lớp đất vị trí hạ cọc, cụ thể: - Tốc độ hạ cọc phụ thuộc vào loại đất từ đồ thị ta thấy, cọc ván thép qua lớp đất khác độ dốc đồ thị tốc độ hạ cọc lớp đất khác nhau, điều có nghĩa tốc độ hạ cọc phụ thuộc vào tính chất lý lớp đất, cụ thể hình 4.32 đến 4.34, với tần số 35 Hz búa rung hạ cọc trụ T2 (địa chất gồm lớp, lớp lớp cát hạt nhỏ chặt vừa, lớp lớp sét pha nửa cứng) đoạn đồ thị tốc độ hạ cọc lớp đất cát hạt nhỏ có độ dốc lớn đoạn đồ thị tốc độ hạ cọc lớp đất sét pha, có nghĩa tốc độ hạ cọc qua lớp đất cát hạt nhỏ thay đổi (giảm ít, giảm từ khoảng 143,2 mm/s đến 138,8 mm/s cho đoạn chiều sâu 2,07m nên có độ dốc 0,00212%), tốc độ hạ cọc qua lớp đất sét pha thay đổi nhiều (giảm nhanh, giảm từ khoảng 138,8 mm/s xuống 125,6 mm/s cho đoạn chiều sâu 6,9m nên có độ dốc 0,00191%) Số liệu cụ thể thể bảng 4.21 Bảng 4.21 Tổng hợp vận tốc hạ cọc thực nghiệm theo tần số lực rung động lớp đất Tần số, Hz 15 20 25 30 35 Lực kích thích, kN 119,44 211,91 331,78 492,97 650,28 v1 100,7 125,4 137,4 141,9 143,2 v2 92,7 118,9 131,0 135,9 138,8 v1 92,7 118,9 131,0 135,9 138,8 v2 85,4 110,1 120,6 120,6 125,6 v1 100,5 124,9 137,5 141,9 143,5 v2 92,9 119,0 131,6 135,7 139,3 v1 92,9 119,0 131,6 135,7 139,3 v2 85,8 109,4 120,7 120,7 126,5 v1 100,4 124,7 137,4 141,9 143,3 v2 93,0 116,0 131,5 135,9 139,5 v1 93,0 116,0 131,5 135,9 139,5 v2 85,7 106,8 120,6 120,6 126,2 v1 100,5 125,8 138,1 142,2 143,5 v2 98,6 122,4 136,0 140,4 142,2 v1 98,6 122,4 136,0 140,4 142,2 v2 82,7 108,6 125,2 129,6 131,7 Tốc độ hạ cọc (lần đo 1, Lớp trụ T2), mm/s Lớp Tốc độ hạ cọc (lần đo 2, Lớp trụ T2), mm/s Lớp Tốc độ hạ cọc (lần đo 3, Lớp trụ T2), mm/s Lớp Tốc độ hạ cọc (lần đo 4, Lớp trụ T3), mm/s Lớp 120 Lớp Lớp Tốc độ hạ cọc (lần đo 5, trụ T3), mm/s Lớp Lớp v1 82,7 108,6 125,2 129,6 131,7 v2 80,2 105,7 121,7 124,2 126,7 v1 100,9 125,8 138,7 142,1 143,9 v2 97,9 122,7 135,8 140,6 142,8 v1 97,9 122,7 135,8 140,6 142,8 v2 84,9 109,5 125,1 133,2 137,8 v1 84,9 109,5 125,1 133,2 137,8 v2 82,4 105,0 121,7 128,4 132,3 - Tốc độ hạ cọc phụ thuộc vào tần số búa, từ đồ thị (hình 4.32 đến 4.36) ta thấy, vị trí hạ cọc, với tần số rung khác tốc độ hạ cọc thay đổi khác nhau, hình 4.32, tần rung tăng từ 15 đến 35 đồ thị tốc độ hạ cọc tăng theo, cụ thể vận tốc hạ cọc vị trí đáy lớp đất 92,7; 118,9; 131; 135,9 138,8 mm/s tương ứng với tần số rung 15; 20; 25; 30 35Hz (bảng 4.21) Tuy nhiên, độ dốc đồ thị lớp đất ứng với giá trị tần số rung không giống nhau, với lớp đất cát, tần số rung tăng lên độ thị có xu hướng dốc (tốc độ hạ cọc theo chiều sâu giảm chậm); đất sét pha ngược lại (tốc độ hạ cọc theo chiều sâu giảm nhanh) Điều có nghĩa, sử dụng búa rung hạ cọc vào đất cát bão hòa hiệu so với đất sét bão hòa, hay ứng với loại đất có giá trị tần số phù hợp tần số tăng tốc độ hạ cọc tăng Tuy nhiên, hạn chế loại búa rung làm thực nghiệm (loại búa tăng tần số đồng nghĩa với việc tăng giá trị lực rung động) nên khó đưa đánh giá xác ảnh hưởng độc lập tần số đến tốc độ hạ cọc Hình 4.46 Quan hệ tốc độ hạ cọc lực kích thích với tần số búa rung 121 Biểu diễn bảng giá trị 4.23 dạng đồ thị (hình 4.46) ta thấy, giá trị lực rung động tăng nhiều (từ 119,44 kN - 15 Hz đến 650,28 kN - 35 Hz tương đương 81,63%), tốc độ hạ cọc tăng chậm tốc độ tăng lực rung động (như T2, lớp 2, lần đo 1, tần số thay đổi từ 15 Hz đến 35 Hz v1 thay đổi từ 92,7 đến 138,8 mm/s (tăng 33,21%), v2 tăng 85,4 đến 125,6 mm/s (tăng 32%) Điều có nghĩa, quan hệ tần số rung, lực rung động tốc độ hạ cọc hàm phi tuyến phức tạp khó xác định - Từ đồ thị dịch chuyển cọc ván thép (hình 4.37 đến 4.45) thấy, dịch chuyển cọc ván thép vào đất hạ cọc búa rung có quy luật thay đổi phức tạp Trong chu kỳ tác dụng lực rung động, cọc thực hai chuyển động, gồm chuyển dịch (trượt) cọc vào đất đoạn lực ấn cọc thắng lực cản đất tác dụng lên cọc ván thép chuyển vị dao động cọc theo quy luật lực rung động, tổng hợp hai chuyển động tạo quỹ đạo dịch chuyển cọc vào đất đồ thị từ hình 4.37 đến 4.45 Lúc bắt đầu hạ cọc, đồ thị dịch chuyển cọc có dạng dao động điều hòa hình sin xuống có biên độ dao động lớn (vì lúc giá trị lực rung động búa rung tạo lớn, giá trị lực cản động đất nhỏ) Khi chiều sâu cọc tăng lên biên độ dao động đồ thị dịch chuyển cọc giảm dần bắt đầu có hình dạng phức tạp hơn, chiều sâu hạ cọc tăng, thành phần lực cản tăng (các thành phần có quy luật biến đổi phi tuyến), tác động lớn vào cọc, làm thay đổi biên dạng dịch chuyển cọc làm cho dịch chuyển cọc không giữ biên dạng dao động điều hòa theo quy luật lực rung động nữa, đồng thời biên độ dịch chuyển giảm dần theo chiều sâu hạ cọc Nói cách khác, dịch chuyển cọc ván thép ngồi phụ thuộc vào dạng sóng lực rung động phụ thuộc vào dạng sóng lực cản động đất Qua đó, có nhìn rõ ràng trình dịch chuyển thực tế cọc ván thép vào đất sử dụng búa rung để thi công, mặt khác cho thấy kết thực nghiệm phản ánh quy luật chuyển dịch cọc theo tính tốn lý thuyết 4.5.2 Kết gia tốc, vận tốc chuyển vị cọc ván thép khung treo búa rung a Tổng hợp kết thực nghiệm - Kết gia tốc, vận tốc chuyển vị thực nghiệm cọc ván thép (màu xanh) khung treo (màu đỏ) với tần số rung f = 15 Hz (lần đo thứ trụ T2) 122 - Kết gia tốc, vận tốc chuyển vị thực nghiệm cọc ván thép (màu xanh) khung treo (màu đỏ) với tần số rung f = 35 Hz (lần đo thứ trụ T2) - Kết gia tốc, vận tốc chuyển vị thực nghiệm cọc ván thép khung treo búa rung với tần số rung f = 25 Hz (lần đo thứ trụ T2) 123 - Kết thực nghiệm đo gia tốc, vận tốc chuyển vị cọc ván thép khung treo búa rung với tần số rung f = 20 Hz (lần đo thứ trụ T3) - Kết thực nghiệm đo gia tốc, vận tốc chuyển vị cọc ván thép khung treo búa rung với tần số rung f = 30 Hz (lần đo thứ trụ T3) Ghi chú: Các kết lần đo khác thể chi tiết Phụ lục C.2 b Phân tích đánh giá kết thực nghiệm: Qua đồ thị kết gia tốc, vận tốc chuyển vị thu từ trình thực nghiệm thấy rằng, thay đổi tần số búa rung giá trị gia tốc, vận tốc, chuyển vị thay đổi Khi bắt đầu hạ cọc, giá trị lực cản đất nhỏ nên gia tốc, vận tốc chuyển vị cọc khung treo có dạng điều hòa hình sin theo quy luật lực rung động Khi chiều sâu hạ cọc tăng lên, lực cản đất lên 124 cọc ván thép tăng (các thành phần lực cản động có quy luật phức tạp đất môi trường đàn - dẻo - nhớt) làm thay đổi quy luật gia tốc, vận tốc chuyển vị búa rung - cọc khung treo, đồ thị chúng không giữ dạng dao động hình sin lúc bắt đầu hạ cọc Khi tần số rung lớn dạng đồ thị gia tốc, vận tốc chuyển vị thay đổi hơn, từ cho thấy thơng số động lực học hệ “búa rung cọc ván thép - đất nhiều lớp” phụ thuộc vào thông số búa rung, cấu tạo địa chất chiều sâu hạ cọc Bảng 4.22 Tổng hợp thông số động lực học hệ theo tần số lực rung động Tần số, Hz 20 25 Thời gian, s 2,0 35,5 80,8 2,0 35,5 80,8 Gia tốc cọc, m/s2 75 37 35 100 95 45 Gia tốc khung treo, m/s2 18 9,5 8,7 25 20 10 Tần số, Hz 30 35 Thời gian, s 2,0 35,5 80,8 2,0 35,5 80,8 Gia tốc cọc, m/s2 153 125 68 220 180 120 Gia tốc khung treo, m/s2 40 35 18 50 30 25 Tần số, Hz 20 25 Thời gian, s 2,0 35,5 80,8 2,0 35,5 80,8 Vận tốc cọc, m/s 0,3 0,15 0,13 0,4 0,35 0,16 Vận tốc khung treo, m/s 0,05 0,04 0,035 0,1 0,08 0,04 Tần số, Hz 30 35 Thời gian, s 2,0 35,5 80,8 2,0 35,5 80,8 Vận tốc cọc, m/s 0,62 0,45 0,22 0,9 0,65 0,35 Vận tốc khung treo, m/s 0,14 0,12 0,04 0,11 0,15 0,1 Tần số, Hz Thời gian, s 20 25 2,0 35,5 80,8 2,0 35,5 80,8 Chuyển vị cọc, m 0,0015 0,00075 0,0006 0,002 0,0017 0,0005 Chuyển vị khung treo, m 0,0003 0,0002 0,00017 0,0005 0,0004 0,0002 Tần số, Hz Thời gian, s 30 35 2,0 35,5 80,8 2,0 35,5 80,8 Chuyển vị cọc, m 0,003 0,0022 0,001 0,005 0,0039 0,002 Chuyển vị khung treo, m 0,0008 0,0006 0,0002 0,0013 0,0009 0,0005 4.5.3 Kết lực cản đất tác dụng lên cọc a Tổng hợp kết thực nghiệm - Kết thành phần lực cản động thực nghiệm đất lên cọc ván thép (lần 1, trụ T2, tần số 15 Hz 35 Hz): 125 Hình 4.47 Lực cản động mũi cọc theo thời gian (f=15 Hz, trụ T2) Hình 4.48 Lực cản động mũi Hình 4.49 Lực động cản mũi từ đến 2s từ 129 đến 130s (f=15 Hz, trụ T2) (f=15 Hz, trụ T2) Hình 4.50 Lực cản động thành cọc theo thời Hình 4.51 Lực cản động thành cọc từ 129 gian (f=15 Hz, trụ T2) đến 130s (f=15 Hz, trụ T2) - Kết thành phần lực cản động thực nghiệm đất lên cọc ván thép (lần 1, trụ T2, tần số 35 Hz): Hình 4.52 Lực cản động mũi Hình 4.53 Lực cản động mũi Hình 4.54 Lực cản động mũi cọc theo thời gian (f=35 Hz, từ đến 2s từ 80 đến 81s trụ T2) (f=35 Hz, trụ T2) (f=35 Hz, trụ T2) Hình 4.55 Lực cản động thành cọc theo thời gian (f=35 Hz, trụ T2) Hình 4.56 Lực cản động thành cọc từ đến 2s (f=35 Hz, trụ T2) Hình 4.57 Lực cản động thành cọc từ 80 đến 81s (f=35 Hz, trụ T2) Ghi chú: Các kết lần đo khác thể chi tiết Phụ lục C.2 126 b Phân tích đánh giá kết thực nghiệm Từ kết thành phần lực cản động thực nghiệm đất lên cọc ván thép thu được, đưa số nhận xét sau: - Lực cản động mũi cọc thay đổi rõ ràng cọc hạ qua lớp đất khác gần không thay đổi phạm vi lớp đất (hình 4.47 hình 4.52), điều cho thấy lực cản động mũi cọc phụ thuộc vào cường độ chịu nén lớp đất Từ đồ thị hình 4.48, 4.49, 4.53 4.54 ta thấy, giá trị lực cản động mũi cọc xuất nửa chu kỳ lực rung động ấn cọc xuống, nghĩa kết thực nghiệm đo giống với quy luật tính tốn lý thuyết Khi thay đổi tần số búa rung, giá trị biên độ lực cản động mũi cọc gần không thay đổi, nghĩa tần số rung không ảnh hưởng nhiều đến thành phần lực cản động mũi cọc - Lực cản động thành cọc có giá trị tăng dần theo chiều sâu hạ cọc (hình 4.50 4.55), giá trị thay đổi có tính chất lặp theo chu kỳ dịch chuyển cọc (chu kỳ lực rung động, hình 4.51, 4.56 4.57) Giá trị biên độ lực cản động thành cọc thay đổi cọc dịch chuyển qua lớp đất khác nhau, điều cho thấy lực cán động thành cọc phụ thuộc vào tính chất lý lớp đất theo chiều sâu hạ cọc Khi cọc ấn xuống, giá trị lực cản tăng dần đều, cọc rút lên giá trị lực cản giảm nhanh, nghĩa cọc ấn xuống cọc vào đất chậm Mặt khác, với điều kiện địa chất giống (cùng vị trí thực nghiệm), tần số lực rung động thay đổi giá trị lực cản động thành cọc thay đổi tương đối nhiều, đặc biệt cọc nằm lớp đất cát, điều cho thấy tần số rung giá trị lực rung động có ảnh hưởng lớn đến thành phần lực cản động thành cọc - Từ kết nghiên cứu thực nghiệm cho thấy, thành phần lực cản động mũi cọc lực cản động thành cọc có quy luật thay đổi phù hợp với cơng trình nghiên cứu lý thuyết thực nghiệm công bố giới, từ khẳng định kết thực nghiệm luận án đo đáng tin cậy 4.5.4 Kết tính tốn hệ số hóa lỏng (đất cát) hệ số chảy lỏng đất (đất sét) a Kết hệ số hóa lỏng hệ số chảy lỏng thực nghiệm - Kết tính tốn ứng với tần số f= 30 Hz (trụ T2) 127 - Kết tính tốn ứng với tần số f= 15 Hz (trụ T3) Ghi chú: Các kết khác thể chi tiết Phụ lục C.2 b Phân tích đánh giá kết thực nghiệm: Qua đồ thị giá trị hệ số hóa lỏng hệ số chảy lỏng mà luận án xác định cho lớp đất trụ T2 T3 cầu Đồng Quang (Ba Vì, Hà Nội) ứng với giá trị tần số khác búa rung thấy rằng, hệ số hóa lỏng hệ số chảy lỏng lớp đất thay đổi tương đối khác trình hạ cọc ván thép theo chiều sâu hạ cọc, tính chất lý đất thay đổi nên làm thay đổi thành phần lực cản động Do đó, khơng thể tính tốn đưa giá trị hệ số hóa lỏng hay hệ số chảy lỏng cụ thể, đại diện cho lớp đất thực nghiệm Điều cho thấy khác biệt mơ hình lý thuyết với điều kiện thực tế thực tế, với giá trị tần số, giá trị lực rung động búa rung, chiều sâu trạng thái chất địa chất khác hệ số hóa lỏng có giá trị thay đổi khác Tuy nhiên, xuất phát từ mục đích nghiên cứu xác định hệ số hóa lỏng điển hình đại diện cho lớp đất trụ T2 T3 để sử dụng làm số liệu đầu vào cho trường hợp tính toán cụ thể Chương Chương 3, luận án sử dụng hệ số hóa lỏng trung bình hệ số chảy lỏng trung bình (bảng 4.23 4.24), giá trị trung bình cộng giá trị hệ số hóa lỏng lớp đất 128 Bảng 4.23 Bảng tổng hợp hệ số hóa lỏng hệ số chảy lỏng trung bình theo tần số loại đất trụ T2 TT Tần số, Hz Lớp đất (Cát hạt nhỏ, chặt vừa) Lớp đất (Sét pha, nửa cứng) Hệ số hóa lỏng Hệ số hóa lỏng Hệ số chảy lỏng Hệ số chảy lỏng mũi cọc thành cọc mũi cọc thành cọc 15 0,43601 0,16808 0,33991 0,15663 20 0,38189 0,16729 0,35762 0,09306 25 0,29204 0,11057 0,46179 0,12552 30 0,26565 0,10853 0,34566 0,14052 35 0,16629 0,09307 0,15115 0,14578 Ghi Bảng 4.24 Bảng tổng hợp hệ số hóa lỏng hệ số chảy lỏng trung bình theo tần số loại đất trụ T3 Lớp đất (Cát hạt Tần TT số, Hz nhỏ, rời rạc) Lớp đất (Cát hạt trung, sỏi sạn, chặt Lớp đất (Sét pha, nửa cứng đến chặt) vừa) Hệ số Hệ số hóa Hệ số Hệ số hóa hóa lỏng lỏng thành hóa lỏng lỏng mũi cọc cọc mũi cọc thành cọc Ghi Hệ số chảy lỏng Hệ số chảy lỏng mũi cọc thành cọc 15 0,6478 0,1448 0,1908 0,1520 0,6683 0,2071 20 0,5658 0,1329 0,1787 0,1664 0,8657 0,1107 25 0,7772 0,1091 0,2471 0,1174 0,3700 0,1268 30 0,5339 0,1073 0,2432 0,1091 0,1729 0,1394 35 0,2316 0,1041 0,1157 0,1159 0,1810 0,1761 Từ bảng tổng hợp kết (bảng 4.23 4.24) thấy, lớp đất cát, hệ số hóa lỏng thành cọc giảm dần tần số tăng lên, điều lý giải tần số rung tăng lực cản động thành cọc lại giảm (như hình 4.50 hình 4.55, biên độ lực cản động thành cọc lớp cát 115kN ứng với tần số rung 15Hz 98 kN ứng với tần số rung 35Hz chiều sâu hạ cọc z =1,95m), hệ số hóa lỏng mũi cọc giảm khơng nhiều tần số rung tăng giá trị hệ số tương đối lớn, điều cho thấy lực cản động mũi cọc không thay đổi nhiều theo tần số rung Đối với lớp sét pha, hệ số suy giảm lực cản động thành cọc giảm tần số rung tăng (hình 4.50 hình 4.55), nhiên tần số f=20 - 25 Hz hệ số lại có giá trị nhỏ nhất, nghĩa ứng với khoảng tần số trên, thành phần lực cản động thành cọc có giá trị nhỏ giá trị tần số rung thực nghiệm, điều cho thấy, để nâng cao hiệu trình hạ loại cọc vào loại có tính sét búa rung cần chọn búa rung có tần số phù hợp Hệ số chảy lỏng mũi có xu hướng giảm dần tần số tăng, có số giá trị tăng đột biến, điều cho thấy lực cản động mũi cọc lớp sét không 129 phụ thuộc nhiều vào tần số, giá trị đột biến cấu trúc lớp sét khơng đồng (lẫn sỏi sạn, đá phong hóa) gây 4.6 SO SÁNH ĐÁNH GIÁ GIỮA KẾT QUẢ LÝ THUYẾT VÀ KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM Để kiểm chứng kết tính tốn lý thuyết kết nghiên cứu thực nghiệm, luận án sử dụng kết tính tốn lý thuyết (Chương 2) kết nghiên cứu thực nghiệm (Chương 4) cho trường hợp cụ thể (hạ cọc ván thép NSP-IIw búa rung VH-QTUTC70 với tần số f = 30Hz vào đất nhiều lớp trụ T2 cầu Đồng Quang (Ba Vì, Hà Nội)) làm sở để so sánh, đánh giá Kết cụ thể sau: a) Dịch chuyển tổng thể cọc b) Dịch chuyển lý thuyết cọc (z = 2m) c) Dịch chuyển thực nghiệm cọc (z = 2m) d) Dịch chuyển lý thuyết cọc (z = 10,5m) e) Dịch chuyển thực nghiệm cọc (z = 10,5m) Hình 4.58 Dịch chuyển cọc theo thời gian (trụ T2, f=30Hz) 130 Hình 4.59 Gia tốc dao động cọc (trụ T2, f=30Hz) Hình 4.60 Gia tốc dao động khung treo (trụ T2, f=30Hz) Hình 4.61 Vận tốc dao động cọc (trụ T2, f=30Hz) 131 Hình 4.62 Vận tốc dao động khung treo (trụ T2, f=30Hz) Hình 4.63 Chuyển vị cọc (trụ T2, f=30Hz) Hình 4.64 Chuyển vị khung treo (trụ T2, f=30Hz) 132 a) Lực cản động thành cọc theo thời gian hạ cọc b) Lực cản động thành cọc t = s (lớp 1) c) Lực cản động thành cọc t = 80 s (lớp 2) Hình 4.65 Lực cản động thành cọc (trụ T2, f=30Hz) a) Lực cản động mũi cọc theo thời gian hạ cọc b) Lực cản động mũi cọc t = s (lớp 1) c) Lực cản động mũi cọc t = 80 s (lớp 2) Hình 4.66 Lực cản động mũi cọc (trụ T2, f=30Hz) 133 Nhận xét: - Từ đồ thị hình 4.58 cho thấy độ dịch chuyển cọc tính tốn lý thuyết thực nghiêm đo tương đồng quy luật có độ sai lệch tính tốn số thời điểm thể bảng sau: Bảng 4.25 Sai số độ dịch chuyển lý thuyết thực nghiệm 10 20 Thời gian, s 1,65 3,149 Dịch chuyển lý thuyết, m Dịch chuyển thực 1,450 2,806 nghiệm, m Sai lệch 12% 11% - Từ đồ thị hình 4.59 cho thấy 30 4,801 40 6,310 50 7,416 60 8,474 70 9,510 80 10,289 4,192 5,557 6,898 8,217 9,516 10,797 13% 12% 7% 3% 0% -5% gia tốc dao động cọc tính tốn lý thuyết nghiên cứu thực nghiệm tương đồng quy luật có độ sai lệch tính tốn số thời điểm thể bảng sau: Bảng 4.26 Sai số gia tốc dao động lý thuyết thực nghiệm 10 20 30 40 50 Thời gian, s 199,38 214,80 199,67 201,25 206,45 Gia tốc lý thuyết, m/s Gia tốc thực nghiệm, 178,32 188,82 173,96 188,56 209,26 m/s2 Sai lệch 11% 12% 13% 6% -1% - Từ đồ thị hình 4.61 cho thấy vận tốc dao động 60 70 196,23 207,46 80 211,07 206,31 181,23 195,78 -5% 13% 7% cọc tính tốn lý thuyết nghiên cứu thực nghiệm tương đồng quy luật có độ sai lệch tính tốn số thời điểm thể bảng sau: Bảng 4.27 Sai số vận tốc dao động lý thuyết thực nghiệm 10 20 30 Thời gian, s 0,875 0,938 0,820 Vận tốc lý thuyết, m/s Vận tốc thực nghiệm, 0,861 0,908 0,831 m/s Sai lệch 2% 3% -1% - Từ đồ thị hình 4.63 cho thấy chuyển 40 0,718 50 0,820 60 0,795 70 0,786 80 0,731 0,800 0,716 0,696 0,687 0,547 -11% 13% 12% 13% 13% vị cọc tính tốn lý thuyết nghiên cứu thực nghiệm tương đồng quy luật có độ sai lệch tính tốn số thời điểm thể bảng sau: Bảng 4.28 Sai số chuyển vị lý thuyết thực nghiệm Thời gian, s Chuyển vị lý thuyết, mm Chuyển vị thực nghiệm, mm Sai lệch 10 20 30 40 50 60 70 80 3,108 2,967 2,924 3,378 2,566 2,208 1,898 1,356 3,390 3,198 3,017 2,925 2,385 1,934 1,708 1,314 -9% -8% -3% 13% 7% 12% 10% 3% 134 - Từ đồ thị hình 4.65 cho thấy lực cản động thành cọc tính tốn lý thuyết nghiên cứu thực nghiệm tương đồng quy luật có độ sai lệch tính tốn số thời điểm thể bảng sau: Bảng 4.29 Sai số lực cán động thành cọc lý thuyết thực nghiệm 40 50 60 70 80 Thời gian, s 30 Lực cản động thành cọc lý thuyết, 261,69 338,70 396,72 429,24 466,57 478,57 kN Lực cản động thành cọc thực 228,31 298,15 347,15 383,63 412,04 492,94 nghiệm, kN Sai lệch 13% 12% 12% 11% 12% -3% - Từ đồ thị hình 4.66 cho thấy lực cản động mũi cọc tính tốn lý thuyết nghiên cứu thực nghiệm tương đồng quy luật có độ sai lệch tính tốn số thời điểm thể bảng sau: Bảng 4.30 Sai số lực cản động mũi cọc lý thuyết thực nghiệm 30 40 Thời gian, s Lực cản động mũi cọc lý thuyết, kN 17,13 26,84 14,90 23,42 Lực cản động mũi thực nghiệm, kN Sai lệch 13% 13% Từ cho thấy, phương pháp chương trình 50 26,84 23,45 60 26,84 23,48 70 26,84 23,56 80 26,84 23,60 13% 13% 12% 12% tính mà luận án xây dựng cho toán hạ cọc ván thép vào đất nhiều lớp búa rung có kết tương đối trùng với kết nghiên cứu thực nghiệm trường với độ sai số kết lý thuyết thực nghiệm nhỏ 15%, khẳng định độ tin cậy chương trình tính xây dựng Chương 2, hệ số thực nghiệm tìm KẾT LUẬN CHƯƠNG Xác định lực cản động đất lên cọc ván thép việc phức tạp khó khăn tính chất cấu trúc địa chất nơi hoàn toàn khác Hiện không nước ta mà giới, nhà nghiên cứu nỗ lực nhằm tìm phương pháp đơn giản, hiệu xác để xác định thành phần lực cản động Từ kết nghiên cứu thực nghiệm tiến hành búa rung thủy lực VH-QTUTC70, cọc ván thép NSP-IIw, điều kiện địa chất trụ T2 T3 cơng trình cầu Đồng Quang, đưa số kết luận sau: Bằng thực nghiệm, đo thành phần lực cản động lớp đất tác dụng lên cọc ván thép q trình hạ cọc, từ xác định hệ số hóa lỏng hệ số chảy lỏng lớp đất tác dụng lực rung động Các hệ số sử 135 dụng làm số liệu đầu vào cho hệ "Búa rung - Cọc ván thép - Nền đất nhiều lớp" Chương luận án (kết bảng 4.23, 4.24) Đã xác định gia tốc, vận tốc chuyển vị phần tử trọng hệ " Búa rung - Cọc ván thép - Nền đất nhiều lớp" trình làm việc thực tế ứng với giá trị tần số búa rung (kết bảng 4.9 đến 4.13, Phụ lục C.3) Xác định vận tốc hạ cọc độ dịch chuyển cọc ván thép theo thời gian trường hợp cụ thể (kết bảng 4.19, 4.20; đồ thị từ hình 4.32 đến 4.36 Phụ lục C.3) Đã đánh giá độ tin cậy mơ hình lý thuyết chương trình tính tốn mà luận án xây dựng Chương Chương việc so sánh kết tính toán lý thuyết với kết thực nghiệm, cụ thể cho thấy: - Kết so sánh thông số động lực học lý thuyết thực nghiệm với sai số nhỏ 15%, khẳng định tính đắn của mơ hình tính lý thuyết chương trình tính tốn xây dựng Chương - Kết so sánh thành phần lực cản động lý thuyết thực nghiệm với sai số nhỏ 15%, từ cho thấy mơ hình lý thuyết tính tốn thành phần lực cản động lớp đất cát lớp đất sét chọn Chương 136 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ KẾT LUẬN Thông qua kết nghiên cứu, luận án đưa số kết luận sau: Trên sở nghiên cứu hệ “Búa rung - Cọc ván thép - Nền đất nhiều lớp”, luận án xây dựng mơ hình động lực học, sơ đồ thuật tốn, lựa chọn mơ hình đất mơ hình tốn xác định thành phần lực cản động đất lên cọc ván thép lớp đất cát lớp đất sét từ lập chương trình tính tốn phần mềm Matlab Phụ lục A.1 Đã ứng dụng chương trình tính cho trường hợp cụ thể búa rung thủy lực VH-QTUTC70, cọc ván thép mặt cắt chữ U (loại NSP-IIw) đất nhiều lớp trụ T2 T3 cơng trình cầu Đồng Quang (Ba Vì, Hà Nội), sở sử dụng hệ số hóa lỏng hệ số chảy lỏng loại đất (được xác định thực nghiệm Chương 4), kết nhận cho thấy tương đồng kết tính tốn lý thuyết với kết thực nghiệm với sai số nhỏ 15% Xây dựng phương pháp xác định thông số hợp lý búa rung hạ cọc ván thép vào đất nhiều lớp, gồm xác định hàm mục tiêu theo chi phí lượng riêng nhỏ nhất, xây dựng sơ đồ thuật tốn chương trình tính toán phần mềm Matlab Phụ lục A.2 Đã áp dụng chương trình tính cho trường hợp cụ thể, từ xác định giá trị hợp lý hai thông số tiêu biểu (f m1) búa rung thủy lực VH-QTUTC70 hạ cọc ván thép NSP-IIw vào số loại đất trụ T2 T3 cơng trình cầu Đồng Quang (Ba Vì, Hà Nội) Kết tổng hợp bảng sau: Tên loại đất Khối lượng khung treo Tần số rung búa Lớp cát hạt nhỏ màu xám đen, chặt vừa Lớp cát hạt trung sỏi sạn lẫn sét, chặt vừa đến chặt Lớp sét pha màu xám nâu, trạng thái nửa cứng m1 = 10001100 kg f = 32,2634,19 Hz m1 = 1350 kg f = 42,48 Hz m1 = 14001500 kg f = 20,1920,85 Hz Bằng nghiên cứu thực nghiệm xác định hệ số hóa lỏng hệ số chảy lỏng loại đất trụ T2 T3 cơng trình cầu Đồng Quang (Ba Vì, Hà Nội) theo 137 tần số với trường hợp cụ thể búa rung thủy lực VH-QTUTC70 cọc ván thép NSPIIw Kết cụ thể hệ số thực nghiệm tổng hợp bảng sau: Tấn số (f) Loại đất Lớp cát hạt nhỏ màu xám đen, rời rạc Lớp cát hạt trung sỏi sạn lẫn sét, chặt vừa đến chặt Lớp sét pha màu xám nâu, trạng thái nửa cứng Mũi cọc 15 Hz 0,436 0,648 0,145 0,168 0,191 20 Hz 0,382 0,566 0,133 0,167 0,179 25 Hz 0,292 0,777 0,109 0,111 0,247 30 Hz 0,266 0,534 0,107 0,109 0,243 35 Hz 0,167 0,232 0,093 0,104 0,116 Thành cọc 0,152 0,166 0,117 0,109 0,116 0,334 0,668 0,157 0,207 0,358 0,866 0,093 0,111 0,370 0,462 0,126 0,127 0,173 0,346 0,139 0,141 0,151 0, 181 0,146 0,176 Hệ số thực nghiệm Hệ số hóa lỏng Hệ số hóa lỏng Hệ số chảy lỏng Mũi cọc Thành cọc Mũi cọc Thành cọc KIẾN NGHỊ VÀ HƯỚNG NGHIÊN CỨU TIẾP THEO Ứng dụng kết toán xác định thông số kỹ thuật hợp lý búa rung để từ tiến hành tối ưu hóa kết cấu hính dáng búa rung thủy lực chế tạo nước Nghiên cứu ứng dụng kết phát triển chương trình tính thơng số hợp lý búa rung thủy lực vào toán điều khiển búa rung linh hoạt theo tải cách thay đổi tần số rung khối lượng khung treo (gia tải kiểu treo mềm tăng lực ấn kiểu treo cứng) theo tổng trở lực cản đất Phát triển hướng nghiên cứu luận án theo hướng điều chỉnh linh hoạt thông số mô men lệch tâm búa rung thủy lực trình làm việc cách thay đổi số đôi cặp bánh lệch tâm tham gia vào trình tạo lực rung động búa rung, điều cho phép điều khiển búa rung thủy lực linh hoạt (điều khiển tần số điều khiển giá trị lực rung động độc lập với nhau), nhờ hiệu sử dụng búa tăng lên phát huy triệt để chương trình tính tối ưu theo thuật giải di truyền Phát triển hướng nghiên cứu luận án theo hướng ứng dụng lý thuyết mô lý thuyết phần tử hữu hạn để tiến hành xây dựng chương trình tính tốn, mơ trình hạ cọc thép vào đất nhiều lớp búa rung (lực rung động) 138 DANH MỤC CÁC CƠNG TRÌNH Đà CƠNG BỐ Thái Hà Phi, Vũ Văn Trung, Lê Mạnh Hùng (2013), Nghiên cứu tích hợp cần trục sở với búa rung 70 chế tạo Việt Nam, Tạp chí Cơ khí Việt Nam (5/2013) Nguyễn Tuấn Anh, Vũ Văn Trung, Trần Xuân Huy (2013), Thuật giải di truyền ứng dụng tính tốn thiết kế tối ưu hình thang lái ô tô, Tạp chí Giao thông vận tải (7/2013) Thái Hà Phi, Vũ Văn Trung, Phạm Trọng Hòa (2013), Nghiên cứu khảo sát động lực học hệ thống truyền động thủy lực búa rung lắp cần trục bánh xích, Tạp chí Khoa học Giao thơng vận tải (10/2013) Thái Hà Phi, ThS Vũ Văn Trung, ThS Lê Toàn Thắng (2014), Nghiên cứu khảo sát động lực học búa rung lắp cần trục bánh xích thi cơng cơng trình GTVT, Tạp chí Khoa học Giao thông vận tải (3/2014) Đề tài NCKH cấp Bộ mã số B2013-04-09 (2014), Nghiên cứu thiết kế, chế thử búa rung 70 tấn, thành viên tham gia (Nghiệm thu đạt loại tốt) Thái Hà Phi, Vũ Văn Trung (2015), Cơ giới hóa búa rung cơng trình xây dựng giao thơng Việt Nam, Hội thảo quốc tế "Nghiên cứu ứng dụng công nghệ kết cấu thép cho cơng trình giao thơng Việt Nam" (10/2015) Vũ Văn Trung, Trần Quang Hùng (2015), Study on establishing flexible hydraulic vibratory hammer control in pile driving in unconsolidated foundation, đăng Kỷ yếu hội thảo quốc tế "The international conference automotive technology for Vietnam - ICAT 2015", tháng 10/2015 Thái Hà Phi, Vũ Văn Trung, Nguyễn Văn Kựu, Nghiên cứu thiết kế, chế thử búa rung 70 nước, Tạp chí Giao thơng vận tải (2/2016) Vũ Văn Trung (2016), Nghiên cứu thực nghiệm xác định tổng trở lực cản búa rung cơng trình cầu Đồng Quang (Hà Nội) búa rung, Đề tài NCKH cấp Trường mã số T2016-CK-42, Chủ nhiệm đề tài (Nghiệm thu đạt kết tốt), Trường Đại học Giao thông Vận tải 10 Vũ Văn Trung, Thái Hà Phi, Trần Quang Hùng (2017), Ảnh hưởng thông số búa rung đến lực cản đất độ dịch chuyển cọc thép trình hạ cọc, Tạp chí Khoa học Cơng nghệ Việt Nam, tập 20 - Số - Tháng 9/2017 11 Vũ Văn Trung, Trần Quang Hùng (2017), Phân tích phi tuyến q trình hạ cọc ván thép vào đất dính bão hòa phương pháp phần tử hữu hạn, Tạp chí Giao thơng vận tải tháng 11/2017 139 TÀI LIỆU THAM KHẢO I Tiếng Việt Báo cáo kết khảo sát địa chất khu dân cư Cát Lái (2018), Công ty TNHH Tư vấn XD 146 Báo cáo kết khảo sát địa chất số 10 Trần Nhật Duật , P Tân Định, Q 1, TP Hồ Chí Minh (2018), Cơng ty TNHH Tư vấn XD 146 Nguyễn Bính (2005), Máy thi cơng chun dùng, Nhà xuất Giao thông vận tải, Hà Nội Nguyễn Đình Chiểu, Nguyễn Trọng Nguyễn Anh Tuấn (2004), Cơ sở lý thuyết kỹ thuật rung xây dựng, Nhà xuất khoa học kỹ thuật, Hà Nội Viện Khoa học Công nghệ Xây dựng (2012), Thiết kế cơng trình chịu động đất (TCVN 9386:2012 ), Bộ Xây dựng Chu Tuấn Hạ (2010), Nghiên cứu phương pháp phân tích mơ hình đất cho tính tốn hố đào đất Hà Nội, Luận án tiến sỹ, Đại học Kiến trúc Hà Nội Hồ sơ thiết kế thi công dự án đầu tư xây dựng cầu Đồng Quang - Ba Vì - Hà Nội (2013), Cơng ty TNHH MTV Tư vấn & KSTKXD Trần Quang Hùng Tạ Văn Huy (2013), "Nghiên cứu động lực học trình ép cọc thép búa rung thủy lực", Tạp chí Giao thơng Vận tải Nguyễn Đắc Hưng (2009), Nghiên cứu tốn hạ chìm cọc vào đất thiết bị rung động, Luận án tiến sỹ, Đại học Thủy Lợi, Hà Nội 10 Vũ Tấn Khiêm (2014), Nghiên cứu thiết kế công nghệ chế tạo thiết bị đóng cọc nhiều hướng xà lan 200 phục vụ thi cơng cơng trình thủy, Đề tài nghiên cứu khoa học công nghệ cấp Nhà nước 11 Trần Hữu Lý (2015), "Lựa chọn tần số cho búa rung thủy lực ép cọc ống thép đảo", Tạp chí Giao thơng Vận tải 12 Trần Hồng Minh Lương Thị Hằng (2015), "Tính tốn sức chịu tải cọc đơn có kể đến hóa lỏng đất động đất", Tạp chí Giao thơng Vận tải 13 Nguyễn Hồng Ngân (2002), Nghiên cứu mơ hình học máy búa rung rung va nhằm tối ưu hóa số thơng số làm việc máy, Luận án tiến sỹ kỹ thuật, Đại học GTVT TP Hồ Chí Minh 14 Vũ Cơng Ngữ Nguyễn Văn Dũng (2000), Cơ học đất, Nhà xuất Khoa học Kỹ thuật, Hà Nội 140 15 Vũ Công Ngữ, Trần Văn Việt tập thể (2007), Nghiên cứu đánh giá bổ sung điều kiện địa chất vùng Hà Nội phụ cận giải pháp móng cơng trình, Liên hiệp khoa học sản xuất địa chất xây dựng cấp nước 16 Nguyễn Thị Thanh Nhàn, Trần Thị Ngọc Quỳnh Dương Vĩnh Nhiều (2018), "Phân chia kiểu cấu trúc cơng trình phục vụ quy hoạch phát triển bền vững TP Huế đến năm 2030", Tạp chí Khoa học Đại học Mở Thành phố Hồ Chí Minh Tháng 10-2018, tr 11 17 Vũ Văn Phái, Ngơ Quang Tồn Đào Đình Bắc (2011), Hà Nội - Địa chất, địa mạo tài nguyên liên quan, Nhà xuất Hà Nội, Hà Nội 18 Thái Hà Phi Phạm Trọng Hòa (2012), "Nghiên cứu lựa chọn thông số kỹ thuật hợp lý búa rung thi cơng đóng cọc Việt Nam", Tạp chí Giao thông Vận tải 19 Thái Hà Phi tập thể (2014), Nghiên cứu, thiết kế chế thử búa rung thủy lực 70 tấn, Đề tài khoa học công nghệ cấp Bộ Giáo dục Đào tạo 20 Nguyễn Văn Phóng (2016), Nghiên cứu tính chất học trầm tích đệ tứ phân bố khu vực Hà Nội tác dụng tải trọng động, Luận án tiến sỹ địa chất, Đại học Mỏ - Địa chất 21 Nguyên Huy Phương (2004), Báo cáo tổng hợp đề tài trọng điểm thành phố “Thu thập, kiểm chứng tài liệu có, nghiên cứu bổ sung lập đồ phân vùng đất yếu Hà Nội phục vụ phát triển bền vững thủ đô”, Trường đại học Mỏ - Địa chất, Hà Nội 22 Nguyễn Huy Phương tập thể (2004), Thu thập kiểm chứng tài liệu có, nghiên cứu bổ sung lập đồ phân vùng yếu Hà Nội phục vụ phát triển bền vững Thủ đô, Đề tài KHCN cấp Bộ Giáo dục Đào tạo 23 Bộ giao thông vận tải (2005), Tiên chuẩn thiết kế cầu (22TCN 272:2005) 24 Hoàng Tụy (2006), Lý thuyết tối ưu, Viện toán học, Hà Nội 25 Đồn Thế Tường Đồn Thế Đơng (1992), "Các dạng đất tự nhiên lãnh thổ thành phố Hà Nội sử dụng cho thiết kế móng", Tuyển tập hội nghị địa kỹ thuật Quốc tế 1, tr 174 26 Phí Hồng Thịnh (2014), Đánh giá dự báo lún mặt đất khai thác nước ngầm Hà Nội, Việt Nam Luận án tiến sĩ địa chất khoáng sản, Trường đại học Bách khoa Nghiên cứu Quốc Gia Tomsk, Liên Bang Nga 141 27 Ngô Quốc Trinh (2014), Nghiên cứu làm việc cọc chịu tải trọng ngang tải trọng động đất, Đại học Kiến trúc Hà Nội 28 Nguyễn Viết Trung (2009), Thiết kế tối ưu, Nhà xuất Xây dựng, Hà Nội 29 Nguyễn Văn Vịnh (2004), Động lực học Máy xây dựng - xếp dỡ, Đại học Giao thông Vận tải, Hà Nội 30 Nguyễn Thiệu Xuân (2014), Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm Máy xây dựng, Nhà xuất Xây dựng, Hà Nội II Tiếng Anh 31 Andersson, Johan (2000), "A survey of multiobjective optimization in engineering design", Department of Mechanical Engineering, Linktjping University Sweden 32 Anh, Nguyễn Tuấn (2006), Application of Optimization Methods to Controller Design for Active Suspension, University of Technology Cottbus, Barandenburg 33 Axelsson, Gary (1998), Long-term set-up of driven piles in non-cohesive soils, Institutionen för anläggning och miljö 34 Axelsson, Gary (2000), Long-term set-up of driven piles in sand, Institutionen för anläggning och miljö 35 Bernhard, RK (1967), "Fluidization phenomena in soils during vibro-compaction and vibro-pile-driving and-pulling Hanover, NH 1967, 58 pp", US Army Cold Regions Research and Engineering 36 Billet, P and Sieffert, JG (1989), "Soil-sheet pile interaction in vibro-piling", Journal of geotechnical engineering 115(8), pp 1085-1101 37 Chen, Fu-quan, et al (2011), "Application and advance of vibratory driving techniques using high-frequency hydraulic vibratory hammer", Chinese Journal of Geotechnical Engineering, p 52 38 Chua, K, Gardner, S, and Lowery, LL (1987), Wave equation analysis of a vibratory hammer-driven pile, Offshore Technology Conference, Offshore Technology Conference 39 Gardner, Sherrill (1987), Analysis of Vibratory Driven Pile, Naval civil engineering lab port Hueneme CA 40 Guillemet, Claire (2013), Pile - Soil Interaction during Vibratory Sheet Pile Driving, Master of Science Thesis, Royal Institute of Technology 142 41 Hill, Howard T (1966), Frictional resistance in vibratory pile driving, Princeton University 42 Holeyman, Alain (1993), An analytical model-based computer program to evaluate the penetration speed of vibratory driven sheet piles, Research report prepared for BBRI, HYPERVIB1 43 Holeyman, Alain (2000), "Vibratory driving analysis", Application of Stress-Wave Theory to piles, Niyama & Beim (eds) 2000 Balkema, Rotterdam, Belgium(ISBN 90 5809 150 3) 44 Holeyman, Alain and Whenham, Valerie (2010), "Vibrodriving Prediction Models vs Experimental Results" 45 Hong-kuan, Wang (1994), Experimental study and finite element analysis of driveability and static behavior of various piles installed by vibratory driving, Texas: Faculty of the Department of Civil and Environmental Engineering, University of Houston 46 Kenneth, Viking (2002), Vibro-driveability-a field study of vibratory driven sheet piles in non-cohesive soils, Byggvetenskap 47 Kenneth, Viking (2006), "The vibratory pile installation technique", Holeyman et Rocher-Lacoste, G.(ed.) Transvib, pp 65-82 48 Kenneth, Viking and Bodare, A (1999), Laboratory studies of dynamic shaft resistance response of a vibro-driven model pile in granular soil by varying the relative density, Proceedings of the 12th European Conference on Soil Mechanics and Geotechnical Engineering, pp 863-869 49 Kim, Byoung-Il (2012), "Prediction of penetration rate of sheet pile installed in sand by vibratory pile driver", KSCE Journal of Civil Engineering, p 16 50 Li, Xiao Peng, et al (2007), Study on characteristics of vibration friction for pilesoil system, Key Engineering Materials, Trans Tech Publ, pp 762-765 51 Liebherr HS833HD (1998), Technical Data Hydraulic crawler crane HS833HD, Editor^Editors, Liebherr 52 Moulai-Khatir, Reda, O’Neill, Michael W, and Vipulanandan, C (1994), "Program VPDA wave equation analysis for vibratory driving of piles", Report to the US Army Corps of Engineerings Waterways Experiments Station., Dept of Civil and Environmental Engineering, UHCE, pp 94-1 143 53 MT, Davisson (1970), "BRD vibratory driving formula", Foundation facts 6(1), pp 9-11 54 Operation manual of SDA-830B Dynamic Strainmeter (2000), Tokyo Sokki Kenkyujo Co., Ltd 55 Operation manual of TML Portable Data Logger TDS 302 (2000), Tokyo Sokki Kenkyujo Co., Ltd 56 Polukoshko, Svetlana (2010), "Dynamical Effects in Process of Piles Vibrodriving", Scientific Journal of Riga Technical University 33, p 07 57 Polukoshko, Svetlana, Kononova, Olga, and Sokolova, Svetlana (2010), "Dynamical Effects in Process of Piles Vibrodriving" 58 Qin, Zhaohui, et al (2017), "Field Tests to Investigate the Penetration Rate of Piles Driven by Vibratory Installation", Hindawi Shock and Vibration 2017, p 10 59 Rodger, Albert Alexander (1976), An experimental and theoretical investigation of the parameters influencing the vibration of dry cohesionless soils, Doctor ò Philosophy, Aberdeen department of engineering 60 Schmid (1969), "Driving resistance and bearing capacity of vibro-driven model piles", Performance of Deep Foundations, ASTM International 61 Schönit, Markus and Reusch, Dirk (2008), "Online - Estimation of vibratory driven piles'bearing capacity", Journal of Vibroengineering 10(3), pp 285-292 62 Serdaroglu, Mehmet Serdar (2010), Nonlinear analysis of pile driving and ground vibrations in saturated cohesive soils using the finite element method, Thesis the Doctor of Philosophy, University of Iowa 63 Sieffert, JG (2002), Vibratory pile driving analysis A simplified model, Proceedings of the International Conference on vibratory pile driving and deep soil compaction, pp 53-60 64 Smith, IM and To, P (1988), "Numerical studies of vibratory pile driving", International Journal for numerical and analytical methods in geomechanics 12(5), pp 513-531 65 Valérie, Whenham and Alain, Holeyman (2010), "Vibrodriving Prediction Models vs Experimental Results" 66 Vanden Berghe, JF (2001), Sand strength degradation within the framework of pile vibratory driving.”, Doctoral Thesis, Université Catholique de Louvain, Belgium 144 67 Vanden Berghe, JF and Holeyman, Alain (1997), Comparison of two models to evaluate the behavior of a vibratory driven sheet pile, XIth Young Geotechnical Engineers Conference and Computers, pp 60-72 68 Vogelsang, J., et al (2016), "Interpretation of Vibratory Pile Penetration Based on Digital Image Correlation", Springer International Publishing Switzerland 69 Wang, Hongkuan (1996), "Experimental study and finite element analysis of drivability and static behavior of various piles installed by vibratory driving" 70 Wang, Yinhui, et al (2011), "Soil-Pile Dynamic Interaction in the Viscous Damping Layered Soils", Open Civil Engineering Journal 5, pp 100-108 71 Warrington, DC (1989), Driveability of piles by vibration, Deep Foundation Institute 14th Annual Member Conf, pp 139-154 72 Warrington, DC (1989), Theory and Development of Vibratory Pile-Driving Equipment, Offshore Technology Conference, Offshore Technology Conference 73 Weise, Thomas (2009), "Global optimization algorithms-theory and application", Self-published 74 Westerberg, E, Eriksson, K, and Massarsch, KR (1995), Soil resistance during vibratory pile driving, Proceedings of the International Symposium on Cone Penetration Testing CPT'95, pp 241-250 75 Whenham, Valerie and Holeyman, Alain (2012), "Load Transfers During Vibratory Driving", Springer Science+Business 2012, p 30 76 Youd, TL (1967), Engineering Properties of Cohesionless Soils During Vibrations, Iowa University, Iowa, USA ... pháp xác định thông số kỹ thuật hợp lý búa rung để hạ cọc ván thép vào đất nhiều lớp ứng dụng nghiên cứu cho trường hợp cụ thể để xác định thông số hợp lý búa rung VH-QTUTC70 hạ cọc ván thép. .. trình tính tốn xác định thơng số kỹ thuật hợp lý búa rung hệ Búa rung - Cọc ván thép - Nền đất nhiều lớp , áp dụng tính tốn cho trường hợp cụ thể, xác định thông số kỹ thuật hợp lý búa rung VHQTUTC70... 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