Dựa trên một số giả thiết về nền san hô và kết quả đo được khi thực nghiệm quay hạ cọc trên đảo, bài báo trình bày phương pháp tính toán xác định ảnh hưởng của tốc độ dẫn tiến đến mô men cản quay trong quá trình quay hạ cọc ống thép trên nền san hô với nhiều lớp địa chất. Từ đó khảo sát sự thay đổi công suất của mô tơ quay cọc theo vận tốc dẫn tiến cọc. Kết quả nghiên cứu là cơ sở để tính toán, thiết kế lựa chọn mô tơ quay cọc cho máy khoan hạ cọc ở điều kiện biển đảo Việt Nam.
KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ ỨNG DỤNG SỰ PHỤ THUỘC CÔNG SUẤT DẪN ĐỘNG CỦA MÔ TƠ QUAY VÀO TỐC ĐỘ HẠ CỌC ỐNG THÉP TRÊN NỀN SAN HÔ Trần Hữu Lý1*, Phan Thanh Cầu1, Nguyễn Văn Hiển1 Tóm tắt: Dựa số giả thiết san hô kết đo thực nghiệm quay hạ cọc đảo, báo trình bày phương pháp tính toán xác định ảnh hưởng tốc độ dẫn tiến đến mơ men cản quay q trình quay hạ cọc ống thép san hô với nhiều lớp địa chất Từ khảo sát thay đổi cơng suất mô tơ quay cọc theo vận tốc dẫn tiến cọc Kết nghiên cứu sở để tính tốn, thiết kế lựa chọn mơ tơ quay cọc cho máy khoan hạ cọc điều kiện biển đảo Việt Nam Từ khóa: Quay hạ cọc; san hơ; mô tơ thủy lực; công suất dẫn động Dependence of driven power of rotational motor on the installing speed of tubular steel piles into coral foundation Abstract: Based on some assumptions about coral foundation and measured results in experiments of pressing piles on the islands, this paper presents a calculated method to determine effect of installing speed to resistance torque acting on the piles in the pressing process into coral ground with different layers As a result, this work investigates the variations of the power of driven motor upon piling speed The results are based to calculate and select a new motor for the design of press-in machinery for work conditions in Vietnam’s islands Keywords: Rotational pressing; coral foundation; hydraulic motor; driven power Nhận ngày 10/5/2017, sửa xong 12/6/2017, chấp nhận đăng 23/6/2017 Received: May 10, 2017; revised: June 12, 2017; accepted: June 23, 2017 Đặt vấn đề Tùy thuộc vào điều kiện thiết bị thi công, đối tượng chủng loại cọc, người ta sử dụng lực ép tĩnh, va đập lực rung để hạ chìm cọc ống thép vào [1] Phương pháp xoay hạ cọc ống thép (rotary press-in) phục vụ gia cố móng cơng trình có nhiều ưu điểm so với phương pháp ép cọc truyền thống sử dụng hiệu ứng rung hiệu ứng va đập khơng làm ảnh hưởng đến độ bền, khả chịu tải cọc đặc tính lý địa chất xung quanh [2,4] Đối với khu vực ven biển hải đảo với đặc điểm địa chất san hơ u cầu lại cần thiết để đảm bảo chất lượng tuổi thọ cơng trình Có thể sử dụng máy quay hạ cọc chuyên dùng (Hình 1a) thiết bị Press-in tích hợp máy xúc, cần cẩu để hạ cọc ống thép Để giảm lực cản dọc trục cọc đưa vào san hô từ giảm tổng lực cản hạ cọc, đầu cọc ống thép bố trí cắt (Hình 1b) Đã có nhiều nghiên cứu liên quan đến công nghệ khoan xoay hạ cọc nhiên nghiên cứu dừng lại việc tính toán lực cản túy lên cọc mà chưa đầy đủ Chưa có nghiên cứu tính tốn cơng suất cần thiết mô tơ dẫn động cọc Nội dung báo tiến hành Hình 1a Máy quay hạ cọc ống thép tự hành Hình 1b Ống thép đầu lắp cắt TS, Học viện Kỹ thuật Quân *Tác giả E-mail: huulytran69@gmail com TẬP 11 SỐ 07 - 2017 229 KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ ỨNG DỤNG nghiên cứu ảnh hưởng tốc độ hạ cọc san hô tới công suất mô tơ thủy lực dẫn động quay từ xác định cơng suất cần thiết Tính tốn cơng suất mơ tơ quay q trình quay hạ cọc 2.1 Mơ hình tương tác cọc ống thép - san hô quay hạ Các giả thiết xây dựng mơ hình: - Áp lực ngang san hơ tác dụng lên thành cọc tính [Lý thuyết Rankine]: (1) đó: γ(z) trọng lượng riêng san hô, phụ thuộc vào chiều sâu xác định thực nghiệm theo [1]; ɸ góc ma sát san hơ - Q trình khoan xuống có cắt đầu cọc thép tham gia q trình cắt đá san hơ; - Q trình khoan tốc độ quay cần khoan khơng đổi; Với τh ứng suất tiếp tác dụng lên thân cọc tính sau [3]: (2) - Theo kết thực nghiệm xác định số quần đảo [5], phân bố san hô chia thành loại Loại 1: cát san hơ , γ1 = 15 KN/m3; Loại thứ 2: san hô cành nhánh γ2 = 18 KN/m3; Loại thứ 3: san hô liền khối, γ3 = 25 KN/m3 Trong trình quay tương tác cọc cọc san hô làm xuất mô men cản ma sát lực ma sát thành cọc san hô Mô hình tương tác cọc thép san hơ thể Hình 2.2 Mơ men ma sát cản quay tác dụng lên cọc ống thép Mô men cản tác dụng lên cọc bao gồm: Mô men cản ma sát lực tác dụng vng góc lên thành ngồi cọc; Mơ men cản ma sát lực tác dụng vng góc lên thành cọc; Mô men cản cắt cắt thành cọc Theo [4], để tính tốn mơ men cản thành cọc ta xét phần tử thành cọc độ sâu z có chiều cao dz chiều rộng D/2 dθ (đối với thành ngoài) d/2 dθ thành - Mô men cản ma sát tác dụng lên thành ngồi cọc: (3) đó: γ1, γ2, γ3 trọng lượng riêng đá san hô lớp thứ 1, 2, (kN/m3); θ góc tâm phần tử xét, (o); z vị trí phần tử xét so với mặt nền, (m); μ hệ số ma sát thép san hơ, μ = 0,155-0,358 [1]; δ góc ma sát thép san Hình Mơ hình tính tốn thành phần lực cản quay tác dụng lên cọc hô, δ = 20o; Kp hệ số áp lực bị động, tính theo cơng thức: ; ɸ góc nội ma sát cát san hô; ɸ = 36o; H1, H2, H3 chiều sâu lớp thứ 1, lớp thứ lớp thứ 3, (m); D đường kính ngồi ống cọc thép, (m) - Mô men cản ma sát tác dụng lên thành cọc: (4) (5) Từ (3), (4) ta được: 230 TẬP 11 SỐ 07 - 2017 (6) KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ ỨNG DỤNG - Xác định lực cản cắt cắt Trong trình quay hạ cọc xuống san hô, cắt đầu ống cọc thực nhiệm vụ cắt phá lớp cát san hô nhằm làm giảm lực cản dọc trục Trong trình cắt phá cắt chịu tác dụng lực cản cắt Fc, lực cản cắt phân thành hai lực thành phần: thành phần lực cản cắt theo phương ngang ký hiệu Fch, lực cản cắt theo phương thẳng đứng Fvc Trong trình cắt, cắt dịch chuyển với vận tốc vc, nghiêng với phương ngang góc α, chiều dày lớp cắt hi, chiều cao cắt hb, mặt trượt bị cắt hợp với phương ngang góc β phụ thuộc vào đặc tính san hơ Sơ đồ tính tốn lực cản cắt thể Hình [6]: Hình Sơ đồ tính tốn lực cản cắt Hình Lực tác dụng lên lớp cắt - Lực tác dụng lên lớp san hô bị cắt nằm trước cắt gồm: Lực ảnh hưởng ứng suất hạt lên bề mặt trượt N1; Lực trượt S1 ma sát nền, có giá trị N1tanφ; Lực W1 áp suất nước lên vùng trượt; Lực trượt C bám dính vật liệu τc Lực tính cách nhân độ bền cắt τc với diện tích mặt trượt; Trọng lực G phần trọng lượng lớp bị cắt; Lực quán tính I chuyển động lớp bị cắt; Lực tác dụng lên cắt N2 áp lực hạt; Lực trượt S2 ma sát ngồi, có giá trị N2.tanδ; Lực trượt A lực bám dính cắt τa Lực tính nhân độ bền bám dính τa với diện tích tiếp xúc với cắt; Lực W2 áp lực nước lên cắt Lực N1 lực trượt S1 kết hợp thành lực hạt K1 sau [6]: (7) - Lực tác dụng lên cắt cắt san hô gồm: Lực tác dụng lên cắt N2 áp lực hạt; Lực trượt S2 ma sát tính N2.tanδ; Lực trượt A bám dính với cắt τa Lực tính cách nhân độ bền bám dính τa với diện tích tiếp xúc với cắt; Lực W2 áp lực nước tác dụng lên cắt Kết hợp lực N2 S2 ta lực K2 sau [6]: (8) đó: N2 lực cắt (kN); S2 lực ma sát cắt (kN); Hình Các lực tác dụng lên cắt + Hợp lực theo phương ngang [6]: (9) đó: Fh lực cắt theo phương ngang (kN); α góc cắt cắt (độ), 30° đến 60°; β góc trượt (độ); φ góc ma sát (độ), 38°; δ góc ma sát ngồi (độ), 26°; A lực dính cắt (kN); C lực dính mặt phẳng trượt (kN); I lực quán tính mặt phẳng trượt (kN); G trọng lực tác dụng lên lớp cắt (kN); W1 áp lực tác dụng lên mặt trượt (kN); W2 áp lực tác dụng lên mặt cắt (kN); TẬP 11 SỐ 07 - 2017 231 KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ ỨNG DỤNG + Theo [6] Lực K1 tác dụng lên mặt phẳng trượt: (10) (11) + Lực K2 tác dụng lên cắt [6]: + Từ phương trình (11) ta phân tích lực tác dụng lên cắt theo hai phương sau: (12) + Nếu khơng có xâm thực W1 W2 tính sau [6]: (13) đó: a1, a2 hệ số thấm trọng; ki độ thấm ban đầu (m/s); kmax độ thấm tối đa (m/s); km độ thấm trung bình (m/s), có giá trị nằm khoảng (11÷12).10-5; p1m áp lực lỗ rỗng trung bình mặt trượt (kPa); p2m áp lực lỗ rỗng trung bình cắt (kPa); ρw trọng lượng riêng nước (tấn/m3), ρw = 1000; ε hệ số tơi xốp; + Nếu có xâm thực W1 W2 trở thành [6]: (14) (15) + Lực quán tính I xác định cơng thức [6]: đó: ρg trọng lượng riêng san hô (tấn/m3), ρg = 2,5 (tấn/m3); hi chiều dày lớp cắt (m/ vòng), tính theo cơng thức [6]: (16) đó: b bề rộng cắt (m); hb độ cao cắt (m); vc thành phần vận tốc cắt vng góc với cắt (m/s); + Lực dính lực bám dính tính theo cơng thức sau [6]: (17) đó: a độ bám dính độ bền cắt ngồi (kPa); c độ dính độ bền cắt (kPa); + Trọng lực G tác dụng lên lớp cắt tính sau [6]: (18) - Mô men cản quay gây cắt: (19) - Tổng mô men cản quay tác dụng lên cọc: (20) - Xác định công suất mô tơ quay quay hạ cọc Công suất mô tơ cần thiết để thắng mô men cản quay tác dụng lên cọc xác định sau: N = M.ωc.η = πn/30.M.η 232 TẬP 11 SỐ 07 - 2017 KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ ỨNG DỤNG (21) đó: N cơng suất cần thiết mơ tơ dẫn động quay (kW); M tổng mô men cản quay tác dụng lên cọc (kNm); n số vòng quay cọc (vòng/ph); η hiệu suất truyền từ mô tơ quay tới cọc η = 0,97 Sự phụ thuộc công suất mô tơ quay vào tốc độ hạ cọc 3.1 Các thông số đầu vào toán Bài báo sử dụng phần mềm Matlab để giải tốn phương trình (21) với thông số đầu vào sau: Thông số hình học cọc: Đường kính D=400mm, bề dày thành cọc 6,5mm, đầu cọc có gắn vành có cắt, vật liệu làm cọc thép CT3 Thuộc tính san hô: loại 1, γ1=15 kN/m3; loại 2, γ2=18 kN/m3; loại 3, γ3=25 kN/m3; Hệ số ma sát san hơ thép: μ=0,358 [5], góc ma sát thép san hơ δ = 20o; Góc nội ma sát cát san hô, ɸ = 36o; Góc cắt α = 60o; Góc trượt β = 22,506 [4]; Số cắt nr răng; Tốc độ dẫn tiến thay đổi từ 0,1÷1,0 m/ph; Tốc độ quay cọc vg/ph; Bề rộng cắt b=0,007 m; Độ thấm trung bình km=0,00012 m/s; Theo [4] áp lực lỗ rỗng trung bình mặt trượt p1m=0,339; Áp lực lỗ rỗng trung bình cắt p2m=0,196; Hệ số độ dính ngồi a = 0,36 kPa; Hệ số độ dính c = kPa; Hệ số biến dạng ε= 0,2092; σ0=6820kPa; Δσ=106,25kPa 3.2 Khảo sát thay đổi công suất mô tơ quay cọc thay đổi tốc độ dẫn tiến cọc Khi thay đổi tốc độ đẫn tiến cọc chiều dày lớp cắt thay đổi lực cản cắt tác dụng lên cắt thay đổi theo Ảnh hưởng tố độ dẫn tiến cọc đến công suất dẫn động mô tơ quay thể bảng đồ thị Hình Nhìn vào đồ thị ta thấy thay đổi vận tốc dẫn tiến cọc cơng suất mơ tơ quay tăng tăng vận tốc dẫn tiến cọc Ở tầng san hơ có tỷ trọng lớn cần cơng suất mô tơ quay cọc lớn vận hành với vận tốc dẫn tiến Khi tính tốn thiết kế cần lựa chọn vận tốc dẫn tiến hợp lý để đảm bảo công suất nguồn động lực đủ để cung cấp dẫn động mô tơ quay cọc Khi tiến hành quay hạ cọc tùy loại san hô mà chọn vận tốc dẫn tiến cọc hợp lý để đạt suất cao mà đảm bảo không tải mô tơ quay Bảng Công suất mô tơ quay theo tốc độ dẫn tiến cọc (kW) Các loại san hô Tốc độ dẫn tiến cọc (m/ph) 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 San hô loại 20,00 22,16 24,21 25,5 31,07 35,02 40,51 45,50 52,03 59,14 San hô loại 20,15 24,13 26,27 31,24 37,16 44,22 51,53 60,25 69,52 80,54 San hô loại 20,25 25,50 31,18 38,27 47,05 57,31 69,48 83,06 98,03 116,78 Hình Sự thay đổi cơng suất dẫn động mô tơ quay theo vận tốc dẫn tiến cọc TẬP 11 SỐ 07 - 2017 233 KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ ỨNG DỤNG Kết luận Bài báo trình bày phương pháp tính tốn mơ men cản tác dụng lên thành cọc cọc hai trường hợp đồng không đồng nhất, từ xây dựng mối quan hệ cơng suất mơ tơ dẫn động quay cọc với tốc độ hạ cọc ba loại san hơ có tỷ trọng khác (lớp san hô cát, lớp san hô cành nhánh lớp san hô đá liền khối) Kết cho thấy cơng suất mơ tơ quay cọc 60kW quay hạ cọc tầng san hơ cát đạt vận tốc 1m/ph; Khi quay hạ cọc lớp cành nhánh vận tốc hạ cọc tối đa đạt 0,8m/ph; Khi quay hạ cọc tầng đá san hô liền khối vận tốc hạ cọc tối đa đạt 0,62m/ph Dựa vào kết tính tốn, thiết kế chế tạo thiết bị quay hạ cọc có sở để lựa chọn mơ tơ quay hợp lý Lời cám ơn: Bài báo nhận hỗ trợ nhóm nghiên cứu đề tài độc lập cấp quốc gia mã số: ĐTĐL CN-17/15 Tài liệu tham khảo Viking K (1998), “Driveability studies of vibro-driven model piles in non-cohesive soils - laboratory simulations”, Soil and Rock Mechanics, 113-118 Trần Hữu Lý, Nguyễn Duy Đạt, Lương Khánh Tình (2015), “Nghiên cứu hạ cọc thép xuống san hơ phương pháp khoan xoay”, Tạp chí khoa học kỹ thuật, Học viện Kỹ thuật quân sự, (171):74-81 White D.J., Sidhu H.K., Finlay T.C.R., Bolton M.D., Nagayama T (2012), “Press-in Piling: the influence of plugging on driveability”, 8th International Conference of the Deep Foundations Institute, New York, 299-310 Hazla E (2013), Rotary Press-in Piling in Hard Ground, Fourth-year undergraduate project in Group D Hoàng Xuân Lượng (2010), Nghiên cứu tiêu kỹ thuật san hơ tương tác kết cấu cơng trình san hô, Báo cáo tổng hợp kết đề tài nhà nước mã số: KC.09.07/06-10 Miedema A.(1987), “Calculation of the Cutting Force when Cutting Water Saturated Sand”, Proc WODCON XII, Orlando, Florida, USA 234 TẬP 11 SỐ 07 - 2017 ... tốc độ hạ cọc san hô tới công suất mô tơ thủy lực dẫn động quay từ xác định cơng suất cần thiết Tính tốn cơng suất mơ tơ quay q trình quay hạ cọc 2.1 Mơ hình tương tác cọc ống thép - san hô quay. .. hành quay hạ cọc tùy loại san hơ mà chọn vận tốc dẫn tiến cọc hợp lý để đạt suất cao mà đảm bảo không tải mô tơ quay Bảng Công suất mô tơ quay theo tốc độ dẫn tiến cọc (kW) Các loại san hô Tốc độ. .. lớp san hô đá liền khối) Kết cho thấy công suất mô tơ quay cọc 60kW quay hạ cọc tầng san hơ cát đạt vận tốc 1m/ph; Khi quay hạ cọc lớp cành nhánh vận tốc hạ cọc tối đa đạt 0,8m/ph; Khi quay hạ cọc