Việc điều khiển bộ công tác máy thi công cọc ximăng đất rất phức tạp, trong đó có hai yếu tố chính là máy và người điều khiển. Khi làm việc, lực cản trên bộ công tác của máy thay đổi liên tục. Tuy nhiên, sự thay đổi này chưa được chú ý đúng mức. Do vậy đã dẫn đến những bất hợp lý về năng suất, công suất, chất lượng và độ bền của máy.
HỘI NGHỊ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ TỒN QUỐC VỀ CƠ KHÍ LẦN THỨ V - VCME 2018 Sử dụng lý thuyết qui hoạch thực nghiệm để điều khiển công tác máy thi công cọc xi măng - đất Using the design of experimental planning to control mixing tools in making soil - cement columns Lê Thanh Đức*, Nguyễn Hồng Ngân Trường Đại học Bách khoa TPHCM *Email: lethanhduc2009@gmail.com Mobile: 0914105795 Tóm tắt Từ khóa: Cọc; Điều khiển; Thực nghiệm; Xi măng - đất Việc điều khiển công tác máy thi công cọc ximăng đất phức tạp, có hai yếu tố máy người điều khiển Khi làm việc, lực cản công tác máy thay đổi liên tục Tuy nhiên, thay đổi chưa ý mức Do dẫn đến bất hợp lý suất, công suất, chất lượng độ bền máy Để khắc phục vấn đề cần chi phí thử nghiệm lớn Sử dụng lý thuyết qui hoạch thực nghiệm kết hợp với việc tạo chương trình tốn học điều khiển, thực việc sử dụng hợp lý thông số kỹ thuật máy, nhờ tăng cao hiệu sử dụng Abstract Keywords: Column; Control; Experiment; Soil - cement Controlling mixing tools in cement deep mixing is a complex problem with two major elements being machinery and human When the machines are in operation, the appearing drags constantly change However, when making soil – cement columns, this phenomenon is ignored Therefore, the problem leads to irrationality in machines’ productivity, quality, power and durability Solving this matter requires a very large expenditure By using the theory of experimental planning combined with a mathematical control program, it is possible to achieve more appropriate usage of the machines, thus improving the usage effectiveness Ngày nhận bài: 27/6/2018 Ngày nhận sửa: 08/9/2018 Ngày chấp nhận đăng: 15/9/2018 ĐẶT VẤN ĐỀ Khi xây dựng cơng trình vùng đất yếu, cần phải gia cố, xử lý Việt Nam có nhiều vùng đất yếu ven sông, biển Những vùng lại thường vùng dân cư tập trung, có nhiều cơng trình xây dựng quan trọng Có nhiều biện pháp xử lý yếu áp dụng, dùng cọc xi măng đất biện pháp có hiệu kinh tế cao, gia cố đất yếu ven sông, biển, chống trượt mái dốc, làm tường chắn chống sạt lở, xử lý cải tạo đất hữu chống lan tỏa ô nhiễm môi trường… HỘI NGHỊ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ TỒN QUỐC VỀ CƠ KHÍ LẦN THỨ V - VCME 2018 Gia cố yếu cọc xi măng đất sử dụng nhiều nước giới số cơng trình Việt Nam Công nghệ thiết bị thi công phương pháp dần phát triển Tuy nhiên, nghiên cứu nước thường tập trung nhiều vào công nghệ tạo cọc sức bền cọc mà chưc có nghiên cứu đầy đủ hệ thống máy thiết bị thi công Riêng máy thi công cọc xi măng đất, việc phối hợp điều khiển sử dụng hợp lý thông số kỹ thuật máy trình vận hành làm tăng hiệu kinh tế gia cố cọc xi măng đất CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1 Đối tượng nghiên cứu Do công nghệ tạo cọc xi măng đất bao gồm nhiều phương pháp Bộ công tác nhiều chủng loại, giới thiệu loại thường gặp phương pháp trộn khô 2.1.1 Công nghệ thi công tạo cọc xi măng đất theo phương pháp trộn khơ Hình Dây chuyền công nghệ hệ thống thiết bị trộn sâu khô a- Định tâm; b,c- Khoan tạo lỗ; d- Rút cần lên - phun xi măng khô; e- Tạo xong cọc - chờ ninh kết 2.1.2 Bộ công tác máy thi công cọc xi măng đất theo phương pháp trộn khơ Hình Sơ lược cơng tác máy thi công tạo cọc xi măng đất kiểu trộn khô (nguồn: 319-321 [3]) a- Máy tạo cọc; b- Mũi trộn (bộ công tác)khô; c- Kết cấu mũi trộn khô 2.1.3 Năng suất máy tạo cọc Kỳ vọng chung suất cao tốt Tất nhiên chi phí phải hợp lý điều kiện khách quan phải cho phép (ví dụ như: độ sâu thi cơng khơng q lớn, đường kính cọc nằm giới hạn tối đa đạt được, chi phí vận hành máy móc hợp lý) Nếu suất cao dẫn đến chi phí giảm Các thay đổi thực tế yếu tố nằm khoảng giới hạn, giá trị tối thiểu giá trị tối đa HỘI NGHỊ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ TỒN QUỐC VỀ CƠ KHÍ LẦN THỨ V - VCME 2018 2.1.4 Chất lượng cọc Đã có nhiều nghiên cứu tài liệu [1], [2], [3] cho thấy chất lượng cọc phụ thuộc nhiều yếu tố: Loại hàm lượng xi măng, loại nước tỷ lệ: (nước/xi măng), loại đất nền, hàm lượng chất hữu đất, thành phần hạt đất, thời gian đông kết… Tác giả Larsson, S (trang 70[3]), qua nghiên cứu xác định chất lượng cọc phụ thuộc nhiều vào tham số chất lượng cọc xi măng đất sau: T M N d / Vd Wi / W Nu / Vu (lần trộn/mét) Trong : M: số lưỡi trộn; Nd: tốc độ quay dụng cụ trộn xuống (vòng/phút); Vd: tốc độ hạ công tác (m/phút); Nu: tốc độ quay lên, cơng tác (vịng/phút); Vu: tốc độ rút cơng tác (m/phút); Wi : lượng chất kết dính đưa suốt trình xuống (kg/m3); W: tổng lượng chất kết dính (kg/m3); T: số lượt cánh trộn mét dài cọc trộn Qua công thức ta thấy: Nếu xét giới hạn, T lớn trộn nhiều lần, tạo nên chất lượng cọc cao 2.1.5 Công suất máy tạo cọc Công suất sinh cho trình tạo cọc tổng cơng suất máy máy.Trong máy tiêu tốn nhiều máy vận hành cần khoan - trộn Trong thiết kế tính tốn, người ta thường xuất phát từ lực cản tối đa mũi khoan cần khoan để xác định công suất máy khoan trộn Trong trình vận hành, máy sở coi cung cấp lượng chế độ hoạt động với lực cản tối đa 2.1.6 Ứng suất tối đa sinh công tác Lực cản mũi trộn tham số khoan trộn tạo cọc Nó có xu hướng tăng dần theo độ sâu cần khoan Khi thiết kế máy lực cản không vượt trị số lớn nhất, mà làm cho mũi khoan bị phá hủy Đó ứng suất tới hạn mũi khoan Nếu cách mà trì hệ điều khiển, từ lúc bắt đầu đến lúc kết thúc, mũi khoan trộn, lực cản (ứng suất) đạt giá trị tới hạn khơng đổi, tận dụng cơng suất suất máy tạo cọc 2.2 Phương pháp nghiên cứu Có thể diễn đạt đề xuất nghiên cứu cách tóm tắt sau: + Các thơng số xuất phát nghiên cứu máy thi công tạo cọc xi măng đất là: A- Năng suất máy: Khối lượng cọc xi măng đất tạo (m3/h) N- Công suất máy phát thi công (kW/h) T- Số lần cánh trộn quay tính mét chiều dài cọc xi măng đất (lần/m) σ- Ứng suất cho phép mũi trộn (N/cm2) + Các thông số giả định, tính lấy từ Catalog máy có cơng trường + Dùng mơ hình tốn qui hoạch thực nghiệm ngược, tính từ trị số tới hạn ứng suất cho phép mũi trộn (lấy từ vật liệu làm mũi khoan trộn), tính ngược lại để biết mối tương quan thông số HỘI NGHỊ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ TỒN QUỐC VỀ CƠ KHÍ LẦN THỨ V - VCME 2018 2.3 Bảng thông số (các nhân tố theo lý thuyết qui hoạch thực nghiệm) Bảng Giá trị nhân tố khảo sát Thông số Công suất (kW) Năng suất (m3/ph) Chất lượng (lần/m) Mức thấp 40 6,5 20 Mức sở 45 6,75 40 Mức cao 50 60 KẾT QUẢ 3.1 Mối quan hệ công suất - suất (theo tiêu chí cường độ ứng suất tối đa cho phép công tác không đổi) Bảng Thông số thực nghiệm quan hệ công suất suất STT Năng suất(m3 /phút) 6,5 6,5 7 6,75 6,75 6,5 Công suất (kW) 40 50 40 50 40 50 45 45 Ứng suất (N/cm2) 61856 59283 61822 60323 60442 59001 59181 58927 Bảng Ma trận qui hoạch X X0 1 1 1 1 X2 40 50 40 50 40 50 45 45 X2 6,5 6,5 7 6,75 6,75 6,5 X1X2 260 325 280 350 270 337,5 292,5 315 X1X1 1600 2500 1600 2500 1600 2500 2025 2025 X2X2 42,25 42,25 49 49 45,5625 45,5625 42,25 49 Phương trình hồi qui: Từ bảng số liệu ta có : Y = 1072747,999 - 7994,866663.X1 - 246656,6663.X2 + 214,7999999.X1.X2 + 70,67999997.X1^2 + 17591,99998.X2^2), X1 = 40 50, X2 = 6,5 Khi Y thông số tới hạn độ bền thép làm công tác, coi tất thông số thực nghiệm khác nên điều chỉnh Y không thay đổi (tức ứng suất sinh công tác đạt tới giới hạn tối đa cho phép Đồ thị biểu diễn hình Dựa vào đồ thị thấy để đảm bảo độ bền Y thay đổi mức thấp thông số công suất, suất nên điều chỉnh theo mặt cong Trong đó, hợp lý giữ công suất máy khoảng 45 kW, suất vào khoảng m3 / phút HỘI NGHỊ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ TỒN QUỐC VỀ CƠ KHÍ LẦN THỨ V - VCME 2018 Hình Quan hệ cơng suất suất (với ứng suất công tác không đổi) 3.2 Mối quan hệ công suất - chất lượng (theo tiêu chí cường độ ứng suất tối đa cho phép công tác không đổi) Bảng Thông số thực nghiệm công suất chất lượng trộn STT Công suất (kW) 40 50 40 50 40 50 45 45 Ứ Suất (N/ cm2 ) 59942 59855 61180 60826 59798 60039 60966 60760 Chất lượng(lần /m) 20 20 60 60 40 40 20 60 Bảng Ma trận qui hoạch X có dạng X0 1 1 1 1 X2 40 50 40 50 40 50 45 45 X2 20 20 60 60 40 40 20 60 X1X2 800 1000 2400 3000 1600 2000 900 2700 X1X1 1600 2500 1600 2500 1600 2500 2025 2025 X2X2 400 400 3600 3600 1600 1600 400 3600 Phương trình hồi qui: Y = 27498,33333 + 1504,133333.X1 - 59,72083333.X3 - 0,6675.X1.X3 - 16,49.X1^2 + 1,330625.X3^2, X1 = 40 50, X3 = 20 60 Đồ thị biểu diễn quan hệ cơng suất chất lượng hình Để độ bền nằm giới hạn, dải điều chỉnh nên mặt cong đề xuất Dựa vào đồ thị đưa khuyến cáo cơng suất giữ 45 khoảng kW, chất lượng nên giữ khoảng 60 vịng phút HỘI NGHỊ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ TỒN QUỐC VỀ CƠ KHÍ LẦN THỨ V - VCME 2018 Hình Quan hệ cơng suất chất lượng 3.3 Quan hệ suất chất lượng (theo tiêu chí cường độ ứng suất sinh công tác không đổi) Bảng Thông số thực nghiệm suất chất lượng STT Năng suất (m3/ph) Chất lượng(vòng /phút) Ứng suất (N/cm2 ) 6,5 6,5 6,5 6,75 6,75 20 20 60 60 40 40 20 60 59157 61260 60781 61987 61994 60130 60778 59196 Tiến hành tương tự có phương trình hồi qui suất chất lượng: Y = 630264,6664 - 172040,6666.X2 + 362,2958333.X3 -44,84999999.X2.X3 + 12948.X2^2 - 0,664375.X3^2), X2 = 6,5 7, X3 = 20 60); Đồ thị biểu diễn quan hệ suất chất lượng hình Hình Quan hệ suất chất lượng Để độ bền nằm giới hạn hợp lý, dải điều chỉnh nên mặt cong đề xuất Dựa vào đồ thị đưa khuyến cáo chất lượng nên giữ vào khoảng 40 vòng phút, suất vào khoảng 6,5 m3/phút HỘI NGHỊ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ TỒN QUỐC VỀ CƠ KHÍ LẦN THỨ V - VCME 2018 KẾT LUẬN 1.Việt Nam nước có nhiều vùng đất yếu ven sơng, biển Đây vùng có mật độ dân cư cao, cần cải tạo móng trước xây dựng cơng trình Có nhiều biện pháp cải tạo móng, từ biện pháp truyền thống đến biện pháp đại Cải tạo yếu cọc XMĐ nhờ trộn chỗ chất kết dính với đất yếu giảỉ pháp đại rẻ tiền, nhiều nước giới áp dụng Các nghiên cứu việc dùng cọc XMĐ có nhiều, nhiên tập trung chủ yếu vào công nghệ thi công, sức chịu tải cọc lại chưa có nghiên cứu đầy đủ lựa chọn máy thiết bị công tác thiết bị khoan trộn tạo cọc 3.Việc sử dụng mơ hình tốn ngược qui hoạch thực nghiệm, nghiên cứu mối tương quan thông số khai thác máy: Năng suất, công suất, chất lượng cọc với ứng suất tới hạn công tác máy thi công tạo cọc xi măng đất, giúp cho người người sử dụng thiết kế máy tham khảo hữu ích Bằng cách sử dụng lý thuyết qui hoạch thực nghiệm, với thơng số giả định tiết kiệm chi phí lớn mà đảm bảo hiệu Hàm hồi qui đưa tạo hướng giải hệ điều khiển Nếu theo mặt cong đề xuất đạt giá trị mà tiết kiệm chi phí tài ngun yếu tố khác Ưu điểm phương pháp với chi phí thấp mả đạt hiệu TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] R D V a F W.F Van Impe, Underwater embankmentson soft soil: a case histor (tr 97,98): University of Ghent, Laboratory of Geotechnics,Zwijnaarde, Belgium Taylor & Francis Group, London, UK, 2007 [2] M Topolnicki, "Ulrich Trunk - Einsatz der Tiefreichenden Bodenstabilisierung im Verkehrswegebau für,Baugrundverbesserung und Gründungen, Keller Holding GmbH, Offenbach," 2006 [3] Larsson S, Mixing Processes for Ground Improvement by Deep Mixing.: Institute of Technology Division of Soil and Rock Mechanics,TRITA-JOB PHD 1004, 2003 ... xong cọc - chờ ninh kết 2.1.2 Bộ công tác máy thi công cọc xi măng đất theo phương pháp trộn khơ Hình Sơ lược công tác máy thi công tạo cọc xi măng đất kiểu trộn khô (nguồn: 31 9-3 21 [3]) a- Máy. .. vào công nghệ tạo cọc sức bền cọc mà chưc có nghiên cứu đầy đủ hệ thống máy thi? ??t bị thi công Riêng máy thi công cọc xi măng đất, việc phối hợp điều khiển sử dụng hợp lý thông số kỹ thuật máy. .. thác máy: Năng suất, công suất, chất lượng cọc với ứng suất tới hạn công tác máy thi công tạo cọc xi măng đất, giúp cho người người sử dụng thi? ??t kế máy tham khảo hữu ích Bằng cách sử dụng lý thuyết