Mục tiêu nghiên cứu đề tài là nghiên cứu, xây dựng mô hình tương tác, mô hình động lực học quá trình xoay-ép hạ cọc ống thép. Thiết lập được hệ phương trình vi phân chuyển động, từ đó xác định khả năng làm việc của bộ công tác xoay-ép hạ cọc vào nền san hô tại quần đảo Trường Sa. Xác định được các thông số ảnh hưởng đến quá trình làm việc của bộ công tác. Xác định được chế độ làm việc hợp lý để hạ được cọc và xác định độ sâu hạ cọc tối đa của bộ công tác.
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ QUỐC PHÒNG HỌC VIỆN KỸ THUẬT QUÂN SỰ PHAN THANH CẦU NGHIÊN CỨU KHẢ NĂNG HẠ CỌC ỐNG THÉP TRÊN NỀN SAN HÔ TẠI ĐẢO TRƯỜNG SA CỦA BỘ CÔNG TÁC KIỂU XOAY-ÉP LẮP TRÊN MÁY ĐÀO THỦY LỰC Chuyên ngành : Kỹ thuật Cơ khí Động lực Mã số : 52 01 16 TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT Hà Nội - 2020 Cơng trình hồn thành tại: HỌC VIỆN KỸ THUẬT QUÂN SỰ Người hướng dẫn khoa học: TS Trần Hữu Lý – Tổng cục Kỹ thuật TS Nguyễn Thế Minh – Binh chủng Công binh Phản biện 1: GS TS Trần Văn Tuấn - Trường Đại học Xây dựng Phản biện 2: PGS TS Nguyễn Văn Vịnh - Trường Đại học GTVT Phản biện 3: PGS TS Bùi Hải Triều - Trường Đại học Công nghệ GTVT Luận án bảo vệ Hội đồng đánh giá luận án cấp Học viện theo định số 4587/QĐ-HV ngày 23 tháng 12 năm 2020 Giám đốc Học viện Kỹ thuật Quân sự, họp Học viện Kỹ thuật Quân vào hồi … … phút, ngày … tháng… năm 2020 Có thể tìm hiểu luận án tại: - Thư viện Học viện Kỹ thuật Quân - Thư viện Quốc gia MỞ ĐẦU Lý chọn đề tài Xây dựng cơng trình biển đảo nhiệm vụ quan trọng hàng đầu chiến lược an ninh quốc phịng, giữ gìn biển đảo toàn vẹn lãnh thổ Việt Nam Các cơng trình biển ven đảo xa bờ xây dựng sử dụng phổ biến dùng móng trọng lực cồng, tốn Các phương pháp hạ cọc chủ yếu bao gồm: phương pháp đóng cọc, phương pháp sử dụng búa rung, phương pháp đào phương pháp xoay Thiết bị xoay-ép hạ cọc ống thép nước ngồi chế tạo có tính đại, thi công hiệu suất cao, nhiên sản phẩm chưa phổ biến nước ta giá thành cao khó đưa đảo kích thước lớn Xuất phát từ nhu cầu cần có thiết bị hạ cọc ống thép san hô với điều kiện phù hợp quân đội để xây dựng cơng trình biển đảo, gần đây, số nhà khoa học Học viện Kỹ thuật quân có nghiên cứu thiết kế, chế tạo cơng tác xoay-ép hạ cọc ống thép tích hợp vào máy đào thủy lực phục vụ thi công điều kiện địa hình san hơ đảo Các kết nghiên cứu công tác xoay-ép hạ cọc ống thép chế tạo nhà máy Z49 để thực nhiệm vụ hạ cọc ống thép quần đảo Trường Sa tới chưa công bố Bên cạnh mơi trường san hơ quần đảo Trường Sa có đặc điểm riêng biệt so với khu vực khác giới Chính “Nghiên cứu khả hạ cọc ống thép san hô đảo Trường Sa công tác kiểu xoay-ép lắp máy đào thủy lực” nhằm làm sở khoa học cho việc chọn máy thi công, thiết kế khai thác hiệu công tác xoay-ép hạ cọc ống thép vấn đề có ý nghĩa khoa học thực tiễn Mục tiêu đề tài Mục tiêu nghiên cứu luận án xác định khả hạ cọc ống thép với cơng suất mơ men có cơng tác xoay-ép hạ cọc vào san hô khu vực đảo Trường Sa Đối tượng nghiên cứu Đối tượng nghiên cứu công tác xoay-ép hạ cọc ống thép thủy lực chế tạo Nhà máy Z49 (có tốc độ xoay: ÷ 20 vịng/phút, tốc độ hạ cọc 0,1 ÷ 0,8 m/phút), cơng tác lắp máy đào thủy lực phục vụ hạ cọc ống thép vào san hô khu vực đảo Trường Sa Phương pháp nghiên cứu Phương pháp nghiên cứu luận án kết hợp lý thuyết thực nghiệm Lý thuyết động lực học áp dụng để xây dựng mơ hình vật lý - tốn hệ Việc giải hệ phương trình vi phân chuyển động hệ thực chương trình tính tốn số viết phần mềm MATLAB Thực nghiệm để xác định giá trị thông số đầu vào kiểm nghiệm kết tính toán lý thuyết Ý nghĩa khoa học thực tiễn luận án 5.1 Ý nghĩa khoa học - Nghiên cứu, xây dựng mơ hình tương tác, mơ hình động lực học trình xoay-ép hạ cọc ống thép Thiết lập hệ phương trình vi phân chuyển động, từ xác định khả làm việc công tác xoay-ép hạ cọc vào san hô quần đảo Trường Sa - Xác định thông số ảnh hưởng đến trình làm việc công tác Xác định chế độ làm việc hợp lý để hạ cọc xác định độ sâu hạ cọc tối đa công tác 5.2 Ý nghĩa thực tiễn - Đã xây dựng phương pháp đo thông số động học, động lực học hệ thực nghiệm Từ xác định gián tiếp thành phần lực cản san hô tác dụng lên ống thép - Kết xác định thông số làm việc hợp lý công tác xoay-ép hạ cọc làm sở cho trình thi cơng hạ cọc làm việc ổn định, hạ cọc theo chiều sâu thiết kế, góp phần nâng cao hiệu sử dụng công tác xoay-ép hạ cọc Tính Luận án - Nghiên cứu xây dựng mơ hình tính thành phần lực cản tác dụng lên công tác xoay-ép hạ cọc ống thép san hô - Xây dựng mơ hình động lực học cho tốn hạ cọc ống thép vào san hô công tác xoay-ép hạ cọc có tính đến chế tương tác lớp san hô với cọc ống thép trình hạ cọc - Xây dựng phương pháp xác định thông số làm việc hợp lý độ sâu hạ cọc ống thép với thông số kỹ thuật có cơng tác điều kiện địa chất san hô quần đảo Trường Sa - Đã xây dựng thực nghiệm lần xác định thông số xoay-ép hạ cọc ống thép san hô Trường Sa Bố cục luận án Ngoài phần mở đầu, phần kết luận danh mục tài liệu tham khảo, nội dung luận án chia thành 04 chương Luận án bố cục theo chương sau: Chương (Tổng quan vấn đề nghiên cứu) tổng hợp phân tích san hơ, nghiên cứu tổng quan phương pháp thiết bị hạ cọc ống thép, giới thiệu công tác xoay ép hạ cọc, phân tích cơng trình nghiên tương tác cọc mơ hình động lục học Từ nội dung xây dựng mục tiêu nhiệm vụ luận án Chương (Động lực học công tác kiểu xoay-ép lắp máy đào thủy lực) tiến hành xây dựng mơ hình tương tác tính thành phần lực cản, mơ hình tốn giải toán động lực học làm sở khoa học để tính tốn lựa chọn chế độ làm việc hợp lý công tác xoay-ép hạ cọc ống thép san hô Chương (Khảo sát yếu tố ảnh hưởng đến khả làm việc, xác định thông số làm việc hợp lý khả hạ cọc công tác kiểu xoay-ép lắp máy đào thủy lực) khảo sát lực cản, mô men cản tác dụng lên ống thép thay đổi đường kính cọc trọng lượng riêng san hô thay đổi Trên sở đó, xác định chế độ làm việc hợp lý nhằm xác định khả hạ cọc tối đa công tác xoay-ép hạ cọc ống thép san hô điều kiện địa chất Trường Sa Chương (Nghiên cứu thực nghiệm) tiến hành làm thực nghiệm xác định thông số động lực học công tác xoay-ép hạ cọc ống thép vào san hô đảo Trường Sa Một số kết sử dụng làm đầu vào cho việc giải toán động lực học chương Một số kết sử dụng để so sánh tính tốn lý thuyết thực nghiệm nhằm rút kết luận tính sát thực mơ hình động lực học CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 1.1 Tổng quan môi trường đá san hô Theo tài liệu nghiên cứu chiều sâu (< 10 m) tính từ mặt đảo, qua cơng tác khoan thăm dị thí nghiệm, ta nêu đặc điểm lớp từ xuống sau: Lớp số 1: Căn vào tài liệu khảo sát lỗ khoan địa chất, lớp số chia thành hai phụ lớp sau: Phụ lớp 1: Bao gồm cát sạn màu vàng, trắng sữa có kết cấu xốp rời, bão hoà nước Phụ lớp số 2: Bao gồm san hô cành mềm màu trắng ngà, đôi chỗ xen kẹp cát sạn Mức độ gắn kết lớp yếu Lớp số 2: Bao gồm san hô tảng cứng, màu trắng sữa, lớp đôi chỗ kẹp san hô cành cát sạn Lớp tương đối cứng sử dụng làm lớp đặt móng cho cơng trình qua q trình khai thác chứng tỏ đắn lựa chọn (Hình 1.1) Nghiên cứu đặc điểm hình thành tính chất lý lớp đá san hô cấu trúc địa chất đảo thấy: - Trên lớp cát, sạn san hơ lẫn cuội, sỏi nhỏ, trạng thái vụn rời - Nằm lớp lớp cành, nhánh san hô lẫn cát, sạn - Dưới lớp đá san hơ (san hơ gốc) Có kết cấu Hình 1.1 Phân lớp địa tầng san hơ đặc xít, vững chắc, nên khả chịu lực cao San hô sinh vật biển, cá thể tiết cacbonat canxi (đá vôi) để tạo xương cứng, sống chúng có khung vỏ nhân, san hơ chết tạo thành lỗ rỗng khung vỏ san hô, sóng gió làm vỡ phận chúng, mảnh vụn lại lấp đầy khoảng trống “rừng san hô” làm cho chúng thêm chắn Nền san hơ yếu tố quan trọng toán xoay-ép hạ cọc ống thép thi cơng cọc Trường Sa Tính chất lý cấu trúc san hô ảnh hưởng trực tiếp đến việc xác định thành phần lực cản lên cọc ống thép Ở nước ta chưa có cơng trình nghiên cứu chi tiết xác định chế tương tác cọc ống thép với san hơ xây dựng mơ hình san hơ tác dụng lực động Đặc tính động san hô đặc trưng áp lực nền, chiều sâu hạ cọc, tính chất lý lớp san hơ Nhận xét: - Nhìn chung địa chất bề mặt đảo chủ yếu cát, sỏi, sạn, cành nhánh san hơ màu xám trắng có độ rỗng lớn; - San hơ vật liệu giịn, quan hệ ứng suất – biến dạng gần tuyến tính, liên kết san hơ kết cấu có tính chất chiều Nền san hơ phân lớp, lớp vật liệu đồng nhất, đẳng hướng, đàn hồi tuyến tính; - Lớp đá san hơ phân bố độ sâu > m, lớp chủ yếu san hô gốc tảng cứng Lớp tương đối cứng thường sử dụng làm lớp đặt móng cho cơng trình 1.2 Tổng quan phương pháp thiết bị hạ cọc ống thép 1.2.1 Phương pháp thiết bị hạ cọc vít ống thép Cơng nghệ giảm tiếng ồn, độ rung chấn thấp, không gây ô nhiễm môi trường, đất thải, không ảnh hưởng đến nước ngầm, giảm thiểu lượng xe máy thi cơng, khả thi cơng nhanh, từ đem lại hiệu kinh tế cao cho dự án, thân thiện với mơi trường Tuy nhiên phương pháp vít cọc phù hợp với thi công đất, gặp vật liệu cứng đá, bê tơng…thì hiệu hạ cọc bị hạn chế lực cản Hình 1.2 Thiết bị thi cơng cọc vít ống thép lắp tác dụng lên cánh vít đầu cọc máy đào thủy lực 1.2.2 Phương pháp thiết bị hạ cọc ống thép búa va rung Với phương pháp hạ cọc thép búa rung thiết bị nhỏ gọn dễ dàng thi công tác công trường chật hẹp như: trung tâm thành phố, góc hẹp, cầu cống…, giảm thời gian thi cơng, sử dụng nhiều địa hình, khơng ảnh hưởng đến cơng trình xung quanh, giảm khả vỡ rạn đầu cọc, hoạt động không gây tiếng ồn ô nhiễm môi trường Tuy nhiên cần đến nhiều công cụ máy móc phù hợp với đất yếu, gặp cứng dễ gây phá hủy cọc hiệu hạ cọc bị hạn chế Hình 1.3 Sơ đồ búa va rung hạ cọc ống thép 1.2.3 Phương pháp thiết bị thi công hạ cọc ống thép búa đóng Thiết bị thi cơng thường gây tiếng ồn, gây ô nhiễm, gây chấn động lớn, ảnh hưởng đến môi trường xung quanh làm hỏng cơng trình lân cận phương pháp đóng cọc thường bị cấm áp dụng thành phố, thị xã, khu vực đông dân cư Hơn nữa, với đất tốt, khơng đóng cọc xuống đầu cọc thường bị vỡ, méo, v.v tốc độ đóng chậm nên suất đóng cọc khơng cao Phương pháp sử dụng để đóng cọc gỗ, cọc thép, cọc bê tông cốt thép loại nhỏ, cọc ống có đường kính nhỏ 45 cm loại Hình 1.4 Sơ đồ thiết bị thi công hạ cọc ống thép ván dài không m búa đóng 1.2.4 Phương pháp khoan xoay hạ cọc ống thép Khoan xoay phương pháp dùng lực tĩnh nên không làm ảnh hưởng đến địa chất quanh cọc, cơng trình quanh khu vực thi công Với phương pháp này, xoay tròn liên tục nên tốc độ khoan nhanh khoan qua tầng đá san hơ ma sát ống thép nhỏ đáng kể (Hình 1.5), thêm vào mũi cọc ống thép có bố trí cắt để phá vỡ đá san hô trình xoay-ép Hình 1.5 Thiết bị xoay hạ cọc ống thép di dẫn tiến cọc vào chuyển bước Nhận xét: Trong phương pháp thi công hạ cọc ống thép vào phương pháp xoay trịn phù hợp với điều kiện thi công hạ cọc ống thép san hô, hạ cọc ống thép đến tầng san hô tảng cứng cắt bố trí mũi cọc cắt san hơ tạo thành hình vành khăn để giảm lực cản bảo vệ cọc không bị biến dạng trình hạ cọc vào Chính luận án tập trung nghiên cứu công tác xoay-ép hạ cọc ống thép san hô 1.2.5 Bộ công tác xoay - ép hạ cọc ống thép 1.2.5.1 Bộ công tác xoay - ép hạ cọc Bộ công tác xoay-ép hạ cọc ống thép nghiên cứu tích hợp lên xe sở máy xúc thủy lực bánh xích để tận dụng nguồn thủy lực máy khả động địa hình phức tạp đảo san hơ (Hình 1.6) Bộ cơng tác xoay-ép hạ cọc ống thép bên cạnh khả hạ cọc tương đương với máy hạ cọc chuyên dụng khác, cần thiết thay cơng tác xoay-ép hạ cọc thiết bị công tác khác gầu xúc, búa đục, đầu cắt, để phục vụ công tác xây dựng cơng trình, đáp ứng đa dạng u cầu cơng việc thi cơng ngồi đảo Mặt khác, xe sở bánh xích làm việc cạn, nước độ sâu nhỏ đặt xà lan để thi cơng độ sâu lớn nên tính động cao, phù hợp với điều kiện thi công đảo Trường Sa Thiết bị hạ cọc bao gồm xe sở máy xúc Komatsu bánh xích PC450 cơng tác xoay-ép hạ cọc thép A - Máy sở; B- Bộ công tác ; a) Bộ công tác lắp máy đào thủy lực; b) Mơ tơ đầu xoay ống thép Hình 1.6 Bộ công tác xoay-ép hạ cọc ống thép lắp máy đào PC-450 1.2.5.2 Cọc ống thép Cọc ống thép có đường kính ngồi D = 300 mm, đường kính d = 287 mm, đoạn ống thép có chiều dài l= 3000 mm Trong luận án sử dụng loại cọc ống thép không bịt đầu, cọc ống thép hạ đầu có gắn 16 cắt bố trí mặt phẳng (Hình 1.4), đầu cịn lại có ren để lắp ống tiếp theo, ống thép hai đầu có ren để nối đốt cọc ống thép (một đầu có ren trong, đầu có ren ngồi) (Hình 1.5) Hình 1.7 Cọc ống thép hạ Hình 1.8 Cọc ống thép hạ gắn cắt 1.3 Nguyên lý cực đại Pontryagin Để giải toán điều khiển tối ưu áp dụng ba phương pháp điều khiển tối ưu: - Phương pháp biến phân - Phương pháp quy hoạch động Bellman - Phương pháp điều khiển tối ưu theo nguyên lý cực đại Pontryagin Tùy thuộc vào đối tượng cụ thể để lựa chọn phương pháp điều khiển tối ưu theo chất lượng điều khiển mong muốn Trong tốn tìm tốc độ dẫn tiến tốc độ xoay tối ưu cọc ống thép, tác giả sử dụng nguyên lý cực đại Pontryagin (Pontryagin's Maximum Principle - PMP) phù hợp, thời gian xoay ép cọc ống thép chưa biết Các bước thực giải toán điều khiển tối ưu theo nguyên lý cực đại Pontryagin - Bước 1: Thiết lập phương trình vi phân trạng thái - Bước 2: Lập tiêu chuẩn tối ưu - Bước 3: Lập hàm Hamilton dạng - Bước 4: Lập phương trình Euler – Lagrange - Bước 5: Lập phương trình vi phân mục tiêu cách đặt biến phụ z(x) với điều kiện đầu z(0) = - Bước 6: Giải hệ hỗn hợp phương trình vi phân điều khiển (phương trình vi phân trạng thái, phương trình Euler – Lagrange, phương trình vi phân mục tiêu) với điều kiện biên Số phương trình vi phân số điều kiện biên 1.4 Tổng quan nghiên cứu nước, quốc tế có liên quan đến luận án 1.4.1 Các cơng trình nghiên cứu nước Các tác giả Ewa Hazla, David J White cộng nghiên cứu mơ hình tương tác thân ống khoan với môi trường đất đá trình xoay-ép hạ cọc vào Các tác giả Tác giả Eva M Navarro-L´opez, M Zamanian cộng sự, Lin Li nnk tiến hành nghiên cứu mơ hình động lực học ống khoan Đối tượng nghiên cứu tác giả tương tác ống khoan với môi trường đất đá, động lực học ống khoan nội dung cần tìm hiểu phân tích, đánh giá để xây dựng phương pháp nghiên cứu phù hợp cho luận án gồm: Các thành phần lực cản tác dụng lên ống thép cắt; động lực học công tác xoay - ép hạ cọc san hơ 1.4.2 Các cơng trình nghiên cứu nước 1.4.2.1 Nghiên cứu tương tác cọc – Năm 2010, phạm vi điều tra khảo sát Dự án nhánh ĐTB11.3, nhà khoa học Viện Kỹ thuật cơng trình đặc biệt tác giả Nguyễn Tương Lai chủ trì thực thí nghiệm đo ma sát cọc-nền san hô đảo Trường Sa Lớn đảo Phan Vinh thuộc quần đảo Trường Sa Các tác giả nghiên cứu tương tác cọc san hô đề cập đến tác dụng tải tĩnh chủ yếu xác định ma sát cọc-nền để chịu tải trọng cơng trình, tác giả chưa đề cập đến tương tác cọc-nền trình hạ cọc 1.4.2.2 Nghiên cứu thiết bị thi cơng cọc vít ống thép Đề tài “Nghiên cứu hồn thiện cơng nghệ thiết kế chế tạo thiết bị thi cơng cọc vít cỡ vừa nhỏ lắp máy sở có sẵn phục vụ xây dựng móng cọc cho cơng trình giao thơng thị Việt Nam”, 2018-2019, mã số DT183019 tác giả Nguyễn Chí Minh Chủ nhiệm đề tài nghiên cứu chế tạo thử nghiệm thành công máy xoay hạ cọc vít CV-DT183019 kiểu chụp xoay đầu cọc lắp máy sở có sẵn máy đóng cọc bánh xích (Hình 1.7) Cơng nghệ có ưu điểm khơng gây rung động, gây ồn; khơng tạo chất thải q trình thi cơng, khơng gây nhiễm đất; sức kháng mũi cọc cao, khả chịu nhổ tốt, thi cơng nhanh Tuy nhiên nhóm nghiên cứu thử nghiệm đất, chưa đề cập đến thử nghiệm đá san hô Mặt khác đường kính cánh vít lớn nên phương pháp hạ cọc vít ống thép phù hợp với thi cơng đất, cứng đá, bê tơng…thì Hình 1.9 Sơ đồ thiết bị thi công cọc hiệu hạ cọc bị hạn chế lực cản tác dụng lên cánh vít theo cơng nghệ ơm xoay đầu cọc vít đầu cọc KẾT LUẬN CHƯƠNG Trên sở nghiên cứu đá san hơ thống kê phân tích tình hình nghiên cứu nuớc vấn đề nghiên cứu nhận thấy: - Nền san hơ hình thành nơi biển đảo, có cấu tạo phân lớp rõ rệt, san hơ vật liệu giịn, độ rỗng lớn Việc thi công hạ cọc ống thép san hô với công tác xoay-ép hạ cọc công việc đặc thù điều kiện làm việc phức tạp, khó khăn, đặc biệt cần đảm bảo điều kiện chiến thuật bí mật quân - Sử dụng cơng tác xoay-ép hạ cọc ống thép tích hợp máy sở máy đào thủy lực bánh xích phương pháp khả thi, phù hợp với thi cơng hạ cọc ống thép xây dựng cơng trình nơi biển đảo Các nghiên cứu nhà khoa học nước giới chưa có cơng trình cơng tác xoay-ép hạ cọc ống thép vào san hơ, chưa có mơ hình động lực học nghiên cứu thông số làm việc hợp lý công tác Luận án tập trung nghiên cứu tương tác cọc ống thép với san hô Trường Sa, nghiên cứu động lực học, từ sử dụng nguyên lý cực đại Pontryagin xác định thông số làm việc hợp lý cơng tác xoay-ép hạ cọc ống thép, để có chiều sâu hạ loại cọc lý thuyết lớn với cơng tác xoay-ép có Kết nghiên cứu sở cho việc thiết kế, lựa chọn khai thác thiết bị điều kiện thực tế - Bên cạnh việc nghiên cứu lý thuyết, luận án cần tiến hành nghiên cứu thực nghiệm nhằm xác định thông số đầu vào phục vụ việc khảo sát lý thuyết kiểm chứng độ tin cậy mơ hình động lực học xây dựng kết khảo sát CHƯƠNG ĐỘNG LỰC HỌC BỘ CÔNG TÁC KIỂU XOAY-ÉP LẮP TRÊN MÁY ĐÀO THỦY LỰC 2.1 Cơ sở khoa học nghiên cứu động lực học công tác kiểu xoay-ép lắp máy đào thủy lực 2.1.1 Các thông số đặc trưng cho chế độ làm việc công tác xoay hạ cọc ống thép Thấy tốc độ hạ ống thép vào san hô tốc độ xoay ống thép thơng số làm việc quan trọng có ảnh hưởng tới hiệu làm việc công tác xoay hạ cọc Để đánh giá hiệu công tác trình làm việc cần đảm bảo yêu cầu sau, lực dẫn tiến mô men xoay phải đạt giá trị cần thiết để phá hủy kết cấu đá san hô, đồng thời tốc độ xoay ống thép phải đủ lớn để bóc lớp đá san hơ cắt ăn sâu vào môi trường đá san hơ Bên cạnh đó, để trì tiếp xúc cắt môi trường đá san hô, tốc độ dẫn tiến phải tỷ lệ với tốc độ xoay xoay-ép ống thép vào môi trường đá san hô, lực dẫn tiến phải tạo phản lực tĩnh từ môi trường đá san hô Nếu thông số lớn nhỏ làm giảm suất công tác xoay-ép hạ cọc ống thép 2.1.2 Các thông số động lực học cần xác định trình xoay-ép hạ cọc ống thép Các thông số động lực học cần xác định trình xoay-ép hạ cọc ống thép gia tốc, vận tốc, chuyển vị chuyển động xoay chuyển động tịnh tiến Đây thông số phản ánh đặc trưng động lực học hệ trình xoay-ép hạ cọc ống thép san hơ, qua thông số cho phép xác định trạng thái dao động cọc ống thép khảo sát ảnh hưởng thay đổi thành phần lực cản lớp san hô đến thay đổi thông số động lực học tồn hệ, từ phân tích đưa nhận xét, đánh giá, điều chỉnh lựa chọn thơng số động học (tốc độ vịng xoay, tốc độ dẫn tiến) công tác xoay-ép hạ cọc phù hợp q trình thi cơng với đối tượng cụ thể 2.2 Tương tác cọc ống thép với san hô xoay-ép hạ 2.2.1 Xây dựng mơ hình tương tác cọc ống thép với san hơ 2.2.1.1 Mơ hình tương tác loại san hô a - trọng lượng riêng san hô không thay đổi; b - trọng lượng riêng san hô thay đổi bậc; c - trọng lượng riêng san hơ thay đổi phi tuyến Hình 2.1 Mơ hình tương tác cọc thép san hô trình xoay-ép hạ cọc 2.2.1.2 Phân tích khác hạ cọc ống thép vào đất với san hô Qua thực tế thực nghiệm hạ cọc ống thép đất Cầu Mai Lĩnh thấy hạ cọc vào đất có tồn lực ma sát bên cọc đất bên lịng cọc có dịch chuyển tương đối cọc đất Khi cọc dịch chuyển vào đất, đất bên lòng cọc điền đầy vào lịng ống thép, lực dính kết cấu đất lớn (0,053 ÷ 0,24 daN/cm2), hệ số ma sát trượt đất thép nhỏ (0,2 ÷ 0,4), lực ma sát cọc ống thép với lõi đất đủ lớn lõi đất chạy theo cọc Khi khơng tồn ma sát bên cọc, ma sát tồn bên cọc ống thép đường kính cọc lớn, loại đường kính nhỏ bỏ qua thành phần ma sát bên lịng cọc Mặt khác đất khơng cần có cắt đầu cọc để phá vỡ đất xoay-ép hạ cọc đến độ sâu định, khơng tính đến mơ men cản cắt, nhiên cần phải tính tốn lực cản mũi cọc Đối với cát cành nhánh san hô vật liệu rời, độ rỗng lớn, có tính chất gần giống cát vụn, đá san hô vật liệu gốc tảng cứng giịn, lực dính kết cấu gần không, xoay-ép cọc qua lớp cát, cành nhánh đá san hô Cát, cành nhánh lõi đá san hơ dịch chuyển lịng ống thép tạo nên ma sát bên lòng ống thép, ln ln tồn ma sát lịng ống thép ta cần phải tính tốn Do lớp cát cành nhánh san hô vật liệu rời nên xoay-ép hạ cọc, cát san hô cành nhánh nhỏ luôn điền vào khoảng trống ống thép với san hô, với áp lực tạo nên ma sát ngài cọc ống thép Mặt khác đá san hơ liền khối có kết cấu cứng nên yêu cầu phải có cắt để phá vỡ đá san hơ, tính tốn mơ men cản phải tính đến mô men cản xoay gây cắt Từ phân tích mơ hình hóa tương tác cọc ống thép với san hô cụ thể đảo Trường Sa hình 2.2 Đặc trưng tương tác cọc ống thép với san hô phụ thuộc vào thông số như: áp lực san hơ tác dụng lên ống thép σ, góc ma sát san hô với thành ống thép δsp, lực dính kết cấu san hơ cc, khối lượng riêng san hô γ, hệ số ma sát thép san hơ µ, góc ma sát đặc trưng kháng cắt san hô Các thông số phụ thuộc vào tính chất lý lớp san hơ, chiều sâu hạ cọc, ảnh hưởng trực tiếp đến việc xác định thành phần lực cản tác dụng lên ống thép Hình 2.2 Mơ hình hóa tương tác cọc ống thép với san hơ 2.2.2 Xây dựng mơ hình tính tốn thành phần lực cản 2.2.2.1 Các giả thiết xây dựng mơ hình - Ống thép thẳng đứng, phoi hồn tồn, sắc khơng bị mịn; - Q trình xoay-ép hạ cọc có cắt tham gia trình cắt san hơ (bố trí theo chu vi đầu cọc), bỏ qua ma sát cạnh bên cắt; - Khi tính tốn thành phần lực cản xoay-ép hạ cọc, tốc độ dẫn tiến tốc độ xoay ống thép không đổi; - San hô trạng thái bão hịa, lớp san hơ vật liệu đồng nhất, san hô biến dạng không đàn hồi a - sơ đồ cân lực, b – phân tố diện tích ống theo phương dọc trục (z), c – sơ đồ thành phần ứng suất san hơ tác dụng lên cọc ống thép q trình hạ, d – áp lực san hô tác dụng lên thành cọc ống thép, e – vận tốc bề mặt cọc ống thép Hình 2.3 Mơ hình tính tốn thành phần lực cản tác dụng lên cọc ống thép 2.2.2.2 Xác định lực cản theo phương thẳng đứng tác dụng lên bề mặt cọc ống thép Lực cản tác dụng lên bề mặt ống thép theo phương thẳng đứng Nc phân tích thành lực cản mũi cọc ống thép Nb lực cản bề mặt cọc ống thép Ns (bên bên cọc ống thép): (2.1) N s N sp N is (2.2) (2.3) Nb qb R r N c Nb N s Do cọc ống thép hình trịn có đường kính tiết diện khơng đổi nên phân tố diện tích bề mặt ngồi cọc ống thép tính dA Ddz , lực cản trượt phân bố tác dụng lên bề mặt cọc ống thép s : (2.4) s h tan s cc Ứng suất hữu hiệu theo phương ngang san hô tác dụng lên thành cọc tính: h z z tan (2.5) 4 2 Xét vận tốc trình hạ điểm B bề mặt ống thép (Hình 2.2e) ta có: - vr vận tốc dài mặt phẳng nằm ngang, (m/ph); v vận tốc trượt, (m/ph); vt vận tốc hạ cọc theo phương thẳng đứng, (m/ph); n vận tốc xoay ống thép, (vịng/phút) góc vận tốc dẫn tiến vận tốc vòng cọc ống thép: v 60vt (2.6) tan1 t ; n ; 1 0o 90o vr D tan1 Khi ta có đường trượt ma sát đơn vị (Hình 2.4) lực cản theo phương thẳng đứng ứng suất tiếp bề mặt cọc ống thép tính theo cơng thức: tanα1 n (2.7) N spi = πD hi σ hi tanδsi +cci i=1 1+tan α Lực cản ma sát theo phương thẳng đứng lớp san hơ lịng cọc ống thép xác định công thức: tanα1 (2.8) Nisi = πdhp σ hp tanδsp +c p 1+tan α1 Hình 2.4 Đường trượt ma sát đơn vị Tổng lực cản tác dụng lên cọc ống thép theo phương thẳng đứng tanα1 n (2.9) N ci qb R r D h σ tanδ +c dh σ tanδ +c si ci p hp sp p i hi 1+tan2 α1 i=1 2.2.2.3 Xác định mô men cản theo phương nằm ngang tác dụng lên bề mặt cọc ống thép Mô men cản bề mặt cọc ống thép phân tích thành mơ men cản trượt bề mặt bên cọc ống thép M sp bên cọc ống thép M is Mơ men cản bề mặt ngồi cọc ống thép xác định theo công thức: D2 n M spi = π hi hi tanδsi +cci 1+tan α1 i=1 (2.10) Mô men cản bề mặt cọc ống thép xác định theo công thức: πd hp (2.11) M isi = σ hptanδsp +c p 1+tan α 2.2.2.4 Xác định mô men cản cắt gây cắt Trong trình xoay-ép hạ cọc, điểm cạnh cắt thực chuyển động tịnh tiến theo hướng sâu xuống chuyển động xoay, lượng ăn sâu vào san hô cắt phụ thuộc vào lực ép dọc trục Khi ống thép vừa xoay vừa xuống trình biến dạng phá hủy san hô diễn liên tục đồng thời Dưới tác dụng lực ép dọc trục mô men xoay, cắt vừa chuyển động tịnh tiến, vừa chuyển động xoay trịn theo quỹ đạo xoắn vít để cắt phá vỡ lớp san hơ tạo hình vành khăn nhằm làm giảm lực cản dọc trục vc Fh Fv Fv W2 N2 δ Fv N2 δ K2 hb Fh vc K2 S2 W2 S2 W1 S1 S1 α K1 φ N1 β W1 hb Hình 2.5 Lực tác dụng lên lớp cắt φ Fv α hi N1 K1 Fh β hi Hình 2.6 Các lực tác dụng lên cắt 11 2.3 Mơ hình động lực học công tác xoay hạ cọc ống thép 2.3.1 Các giả thiết xây dựng mơ hình động lực học + Máy sở đủ công suất dẫn động, đảm bảo ổn định trình di chuyển xoay-ép hạ cọc; + Nền san hơ phân lớp, coi lớp lớp san hô đồng nhất, đẳng hướng, đàn hồi tuyến tính; + Đầu xoay, ống thép, mũi ống thép vật rắn tuyệt đối; + Lực dẫn tiến phận công tác đặt tâm ống thép; + Bỏ qua ma sát trượt cần với cụm rãnh trượt; + Các phoi san hô hết hồn tồn q trình xoay hạ cọc vào môi trường san hô; + Giả thiết cho phần tính tốn q trình xoay-ép hạ cọc, cọc ống thép thẳng đứng tâm, sử dụng ống thép không bịt đầu, đầu gắn 16 cắt 2.3.2 Mơ hình động lực học công tác khoan xoay hạ cọc ống thép σh γ1 γ2 Z γ3 Hình 2.11 Mơ hình động lực học cơng Hình 2.10 Mơ hình vật lý cơng tác xoay-ép hạ cọc ống tác xoay-ép hạ cọc ống thép thép 2.3.3 Thiết lập phương trình vi phân chuyển động Áp dụng phương trình Lagrange loại II cho hệ gồm đầu xoay, ống thép để viết phương trình vi phân chuyển động d T T Φ (2.20) + + = Qi (i 14 ) dt qi qi qi qi Trong q = qi = [x1 φ1 x2 φ2 ] T véc tơ tọa độ suy rộng độc lập - Động hệ 1 1 T m1 x12 J 112 m2 x22 J 222 2 2 - Thế hệ 1 2 k1 x2 x1 k2r 2 1 2 - Hàm hao tán hệ 1 2 c1 x2 x1 c2r 2 1 2 (2.21) (2.22) (2.23) - Véc tơ lực suy rộng: Q N t M t N c M c - Hệ phương trình chuyển động cơng tác xoay-ép hạ cọc: T m1 x1 c1 x1 c1 x2 k1 x1 k1 x2 N t J k k c c M 1 2r 2r 2r 2r t m2 x2 c1 x1 c1 x2 k1 x1 k1 x2 N ci J 22 k2r1 k2r2 c2r1 c2r2 M ci (2.24) 12 Số liệu đầu vào BẮT ĐẦU - Điều kiện địa chất san hô - Các thông số công tác - Các thông cọc ống thép {y}={y0}, t0=0, i=1 Đúng ti ≥ tmax Sai Các tham số phụ thuộc {y}** Từ hệ phương trình vi phân thiết lập ta xác định dịch chuyển ống thép, xác định qui luật ảnh hưởng thông số động lực học đến trình xoay hạ cọc ống thép Sử dụng phương pháp Runge-Kutta biến đổi phương trình vi phân cấp phương trình vi phân cấp để giải ta nhận sơ đồ thuật tốn giải hệ phương trình vi phân (2.24) thể hình 2.12 Giải HPT i=i+1 ti=ti-1+Δt y y y y y5 y6 y7 y8 t y t f t y t f t y t f t y t f i t t t t t t t t i i i i i i i i i i i i i i i yj(ti+1) với j=1÷8 Xuất số liệu đầu - Dịch chuyển x1 , x2 ,1 , - Vận tốc x1 , x2 ,1 , - Gia tốc x1 , x2 ,1 , KẾT THÚC Hình 2.12 Sơ đồ thuật tốn giải hệ phương trình vi phân KẾT LUẬN CHƯƠNG Nội dung nghiên cứu chương thu kết sau: Đã xây dựng mơ hình tương tác cọc ống thép với san hơ q trình xoay-ép hạ cọc, có tính đến yếu tố tính chất lý thông số kết cấu cọc ống thép, tính tốn lực cản mơ men cản tác dụng lên ống thép theo chiều sâu Kết khảo sát: độ sâu 3,4 m lớp cát san hô sang lớp cành nhánh san hơ đồ thị có bước nhảy, mô men cản 0,947 kN.m, lực cản 2,29 kN Ở độ sâu 6,5 m lớp cành nhánh san hô sang lớp đá san hơ đồ thị có bước nhảy, mô men cản 2,37 kN.m, lực cản 5,725 kN Ở độ sâu 15 m tổng lực cản Nc 154,205 kN tổng mô men cản M c 63,84 kN.m So sánh kết tính tốn mơ hình lý thuyết với thực nghiệm: lực cản mơ men cản sai số nằm khoảng 8,73 ÷11,14 Có kết luận án xây dựng mơ hình tương tác, mơ hình tính thành phần lực cản cọc ống thép với san hô phù hợp với thực tế, sai số nằm giới hạn cho phép chấp nhận Đã xây dựng mơ hình động lực học công tác xoay-ép hạ cọc ống thép với khối lượng bậc tự độc lập Trong mơ hình nghiên cứu tác giả đề cập: + Tính đến độ cứng hệ số giảm chấn xoay khớp nối ren liên kết cụm đầu xoay cọc thép; + Đã xét đến lực cản xoay, lực cản theo phương thẳng đứng bên bên ngồi ống thép, lực cản cắt san hơ tác dụng lên cắt Đây tính mơ hình nghiên cứu Thiết lập hệ phương trình vi phân mơ tả đặc tính chuyển động công tác xoay-ép hạ cọc ống thép tương tác với san hơ q trình xoay-ép hạ cọc vào san hô CHƯƠNG KHẢO SÁT CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN KHẢ NĂNG LÀM VIỆC, XÁC ĐỊNH THÔNG SỐ LÀM VIỆC HỢP LÝ VÀ KHẢ NĂNG HẠ CỌC CỦA BỘ CÔNG TÁC KIỂU XOAY-ÉP LẮP TRÊN MÁY ĐÀO THỦY LỰC 3.1 Khảo sát yếu tố ảnh hưởng đến khả làm việc công tác 3.1.1 Khảo sát thông số động lực học Tiến hành khảo sát yếu tố ảnh hưởng với điều kiện môi trường đá san hô bão hịa có γ=25kN/m3 ta nhận số kết thể hình 3.1 đến hình 3.18 13 Hình 3.1 Chuyển vị khâu Hình 3.2 Chuyển vị khâu Từ đồ thị hình 3.1 hình 3.2 cho thấy thời gian đầu cụm đầu xoay (khâu 1) cọc thép (khâu 2) gần chuyển vị pha, khảo sát thời gian 10 giây chuyển vị khâu khâu đạt giá trị 0,0685 m Tuy nhiên lực cản san hô tác động lên ống thép (khâu 2) nên dao động khâu lớn khâu (hình phụ) Đồ thị hình 3.3 hình 3.4 thể cụ thể vận tốc chuyển vị khâu, giá trị tốc độ chuyển vị trung bình khâu 0,0068 m/s (0,408m/ph) Hình 3.3 Vận tốc chuyển vị khâu Hình 3.4 Vận tốc chuyển vị khâu Đặc tính chuyển động xoay khâu thể hình 3.5 hình 3.6 Dễ dàng nhận thấy xu hướng thay đổi đại lượng gần tương đồng cụm đầu xoay (khâu 1) cọc thép (khâu 2) với chuyển vị góc tăng theo thời gian, khảo sát thời gian 10 giây giá trị chuyển vị góc khâu khâu đạt giá trị 20 rad Hình 3.5 Chuyển vị góc Hình 3.6 Chuyển vị góc khâu khâu Dựa hình 3.7 hình 3.8, thấy tốc độ xoay khâu khâu có khác biệt, điểm khác biệt cần kể đến thời gian chuyển động khác pha khâu giai đoạn đầu ngắn (t < 0,05 giây), giá trị vận tốc xoay trung bình khâu khâu 2,0025 (rad/s) Hình 3.7 Vận tốc xoay khâu Hình 3.8 Vận tốc xoay khâu Hình 3.9 Gia tốc dịch chuyển pha khâu theo thời gian Hình 3.10 Gia tốc dịch chuyển pha khâu theo thời gian Đồ thị hình 3.9 hình 3.10 thể gia tốc dịch chuyển pha khâu, ta thấy bắt đầu xoay-ép hạ cọc ống thép dao động khâu lớn thời gian 0,6 giây, dao động khâu lớn khâu lực cản san hô tác dụng lên cọc ống thép, giá trị dao động lớn tương ứng 0,45 m/s2 (khâu 2) 0,078 m/s2 (khâu 1) 14 Hình 3.11 hình 3.12 thể dịch chuyển gia tốc góc khâu, dao động khâu có tương đồng, khâu lớn gia tốc dao động khâu 2, giá trị dao động lớn chúng tương ứng 1,1 rad/s2 (khâu 1) 0,057 rad/s2 (khâu 2) Hình 3.11 Gia tốc góc khâu Hình 3.12 Gia tốc góc khâu theo thời gian theo thời gian 3.1.2 Khảo sát lực cản theo phương thẳng đứng mô men cản tác dụng lên ống thép xoay-ép hạ cọc Từ đồ thị hình 3.13 hình 3.14 thấy lực cản theo phương thẳng đứng mô men cản xoay tăng theo thời gian, chiều sâu hạ cọc tăng lên giá trị thành phần lực cản tăng lên, khảo sát thời gian 10 giây lực cản thẳng đứng tăng 0,5274 kN, mô men cản tăng 0,5485 kNm Kết Hình 3.13 Lực cản theo phương thẳng Hình 3.14 Mô men cản tác dụng khảo sát lý thuyết lực cản đứng tác dụng lên ống thép lên ống thép mơ men cản so với thực nghiệm có tính tương đồng, phù hợp với thực nghiệm 3.1.3 Khảo sát ảnh hưởng đường kính cọc đến đặc tính chuyển động tịnh tiến cọc ống thép Đồ thị Hình 3.15 thể dịch chuyển khâu với đường kính ϕ200 mm, ϕ300 mm, ϕ400 mm, thấy tốc độ vòng xoay tốc độ dẫn tiến với đường kính cọc thép lớn tốc độ dịch chuyển thâm nhập vào chậm so với đường kính cọc thép nhỏ hơn, cụ Hình 3.16 Ảnh hưởng đường Hình 3.15 Ảnh hưởng đường thể khảo sát thời gian kính cọc đến vận tốc dẫn tiến ống kính cọc đến dịch chuyển ống thép từ ÷ 10 giây cọc ống thép thép ϕ200 mm dịch chuyển đạt giá trị 0,0754m, ống thép ϕ300 mm dịch chuyển đạt giá trị 0,0685m, ống thép ϕ400 mm dịch chuyển đạt giá trị 0,0637m Đồ thị hình 3.16 thể vận tốc dịch chuyển khâu với vác đường kính khác nhau, ống thép ϕ200 mm tốc độ dịch chuyển đạt giá trị quanh tốc độ ổn định 0,00748 m/s, ống thép ϕ300 mm tốc độ dịch chuyển đạt giá trị quanh tốc độ ổn định 0,0068 m/s, ống thép ϕ400 mm tốc độ dịch chuyển đạt giá trị quanh tốc độ ổn định 0,00633 m/s Điều khẳng định đường kính cọc ảnh hưởng lớn đến lực cản mô men cản tác dụng lên cọc thép Kết khảo sát lý thuyết phù hợp với thực nghiệm trường 15 3.1.4 Khảo sát ảnh hưởng trọng lượng riêng san hô đến lực cản mô men cản xoay-ép hạ cọc Từ đồ thị hình 3.17, hình 3.18 ta thấy lượng riêng lớp san hô ảnh hưởng lớn đến trình xoay-ép hạ cọc, trọng lượng riêng tăng đồng nghĩa với lực cản mô men cản tăng theo Khảo sát thời gian 10 giây với lớp san hô kết cho ta thấy γ = 15 kN/m3 lực cản tăng 0,2814 kN mơ men cản tăng 0,3098 Hình 3.18 Sự thay đổi mô men kNm, γ = 18 kN/m3 lực cản tăng Hình 3.17 Sự thay đổi lực cản cản hạ cọc vào lớp san 0,338 kN mô men cản tăng hạ cọc vào lớp san hô 0,3723 kNm, γ = 25 kN/m3 lực cản hô khác khác tăng 0,4726 kN mô men cản tăng 0,519 kNm 3.1.5 So sánh kết tính tốn vận tốc dẫn tiến ống thép mơ hình lý thuyết với thực nghiệm Bảng 3.1 So sánh kết vận tốc dẫn tiến lý thuyết thực nghiệm Vận tốc dẫn tiến (m/s) Sai số (%) Lý thuyết Thực nghiệm 0,0068 0,0058 14,7 Kết vận tốc dẫn tiến tính tốn mơ hình lý thuyết phù hợp thực nghiệm xoay-ép hạ cọc đá san hô, sai số vận tốc dẫn tiến vt = 14,7% 3.2 Xác định thông số làm việc hợp lý khả hạ cọc công tác kiểu xoay-ép lắp máy đào thủy lực 3.2.1 Phát biểu toán Xác định tốc độ dẫn tiến tốc độ xoay cọc hợp lý công tác xoay-ép hạ cọc ống thép có đường kính khác môi trường đá san hô đảo Trường Sa với công suất mô men dẫn động công tác cho trước, cho chiều sâu hạ cọc đạt giá trị tối đa tương ứng với loại đường kính cọc, thỏa mãn điều kiện q trình xoay-ép hạ cọc ống thép 3.2.2 Xác định thông số làm việc hợp lý 3.2.2.1 Xây dựng hàm mục tiêu thuật toán giải Hàm mục tiêu x2 T → max (chiều sâu đạt max) với T thời gian xoay-ép chưa biết Thông số điều khiển u (α1 phụ thuộc vào vt vr, ứng với vti vri ta có α1i tương ứng) Điều kiện biên Tại t T x2 T Điều kiện đầu Tại t x1 0,x2 Điều kiện ràng buộc 1 0,2 1min 1 1max (3.1) x1 0,x2 (3.2) 1 0,2 0 Thuật toán giải Sử dụng lý thuyết điều khiển tối ưu, áp dụng nguyên lý cực đại Pontryagin tiến hành theo bước Bước 1: Biểu diễn hàm mục tiêu dạng phiếm hàm T T 0 J x2 dt x2Td Tx2 d (3.3) 16 Bước 2: Lập phương trình trạng thái theo biến dy1 y5 d dy y6 d dy y7 d dy4 y8 d d x1 T2 T x Nt c1 y5 c1 y7 k1 y1 k1 y3 d m1 y1 f1 y2 f2 y3 y4 y5 f3 f4 f5 y6 d 21 T2 T 21 M t k2r y6 k2r y8 c2r y2 c2r y4 d J1 f6 y7 d x2 T2 T x N c c1 y5 c1 y7 k1 y1 k1 y3 d m2 f7 y8 d 22 T2 T M c k2r y6 k2r y8 c2r y2 c2r y4 f d J2 Bước 3: Lập Hàm Hamilton cách đưa vào thêm biến liên hợp 8 dx H Tx2 pi fi pi fi y7 p1 f1 p2 f p3 f p4 f p5 f p6 f p7 f7 p8 f d 1 (3.4) (3.5) Bước 4: Xác định biến điều khiển tối ưu u * * Điều kiện cần để hàm Hanilton đạt cực đại theo u là: H 0 (3.6) Từ (3.6) ta thu 1* theo u p Bước 5: Thay 1* hàm u p vào phương trình trạng thái phương trình liên hợp dp H pi i (3.7) i 1,2, ,8 d yi Bước 6: Giải hệ hỗn hợp + +1= 17 phương trình vi phân yi fi i 1,8 H i 1,8 pi (3.8) yi dT T d Với điều kiện đầu: yi i 1,7 biết (chú ý y8 chưa biết T chưa biết) điều kiện đầu Bổ sung thêm điều kiện biên: x2 T Do y7 1 Điều kiện hoành (xác định điều kiện cuối biến liên hợp) pi 1 Bước 7: Giải hệ hỗn hợp 17 phương trình vi phân, ta thu thông số hợp lý y* thời gian T * Tốc độ dẫn tiến tốc độ xoay cọc hợp lý: * * vt T * y7 (3.9) v* y* r T * 17 3.2.2.2 Các thông số yêu cầu Điều kiện địa chất là: mặt cắt cột địa chất (ni, hi), tính chất lý san hô (qc, qb, σhi, σhp, ci, δsi, δsp, ϕ, μ, γ); - Đối với cọc ống thép cần hạ (D, d, l, hp) - Dẫn động xoay cọc ống thép công tác loại mô tơ di chuyển Solar 200W-V (Travel Motor 200W-V), dẫn động dẫn tiến cọc ống thép loại mô tơ di chuyển Solar 130W-V (Travel Motor 130W-V), gồm hai thông số tốc độ vịng xoay n thay đổi từ ÷20 vịng/phút vận tốc dẫn tiến vt thay đổi từ 0,1 ÷ 0,8 m/phút, cịn thơng số khác công tác hai mô tơ không thay đổi, thơng số san hơ sử dụng để tính tốn dựa số liệu chương 3.2.2.3 Xác định thông số làm việc hợp lý công tác kiểu xoay-ép lắp máy đào thủy lực Để có lựa chọn thơng số làm việc hợp lý công tác, trước tiên tiến hành khảo sát cho trường hợp cụ thể là: phụ thuộc yếu tố cản (lực cản mô men cản), đặc tính san hơ quan hệ tương đối hai vận tốc dẫn tiến vt vận tốc xoay cọc n ràng buộc với thông qua biểu thức (2.6) Với vùng khuyến cáo làm việc công tác xoay-ép hạ cọc, giá trị vận tốc chuyển động cọc thép giới hạn khoảng: vận tốc dẫn tiến cọc ống thép vt = 0,10 ÷ 0,80 m/ph ta có vùng thay đổi vt = 0,00167 ÷ 0,1334 m/s Tốc độ xoay cọc n từ ÷ 20 vịng/phút ta có vùng thay đổi vr 0,0785 ÷ 0,314 m/s Như ta thấy giá trị tỷ số vận tốc tanα1 thay đổi từ 0,0425 = 0,8/(0,314*60) đến 0,0212 = 0,1/(0,0785*60) Tính tốn thơng số hợp lý với tham số sau: vận tốc dẫn tiến nhỏ vt = 0,1 m/phút; Tốc độ xoay ống thép nhỏ n= vịng/phút; Đường kính cọc ống thép D = 0,3 m, chiều dài đoạn cọc l=3m Sử dụng phần mềm Maple giải hệ phương trình hỗn hợp (3.8) xác định thông số hợp lý hệ phương trình (3.9), với đường kính cọc D = 200 mm, D = 300 mm, D = 400 mm hạ cọc đá san hô ta nhận kết theo đồ thị hình 3.19, hình 3.20, hình 3.21, hình 3.22, hình 3.23, hình 3.24, giá trị thông số làm việc hợp lý công tác thể trong, bảng 3.3, bảng 3.4, bảng 3.5 Hình 3.19 Đồ thị vận tốc dẫn tiến biến thiên theo thời gian (D=200 mm) Hình 3.20 Đồ thị tốc độ xoay biến thiên theo thời gian (D=200 mm) Hình 3.21 Đồ thị vận tốc dẫn tiến biến thiên theo thời gian (D=300 mm) Hình 3.22 Đồ thị tốc độ xoay biến thiên theo thời gian (D=300 mm) Hình 3.23 Đồ thị vận tốc dẫn tiến biến thiên theo thời gian (D=400 mm) Hình 3.24 Đồ thị tốc độ xoay biến thiên theo thời gian (D=400 mm) 18 Bảng 3.2 Chế độ làm việc hợp lý công tác xoay-ép hạ cọc ống thép đá san hô (D=200 mm) TT α1 (độ) n (v/ph) vt (m/ph) 21.80140949 20 0.8 21.66001543 19.95789 0.792608 21.34577458 19.88289 0.777032 20.80841677 19.82599 0.753452 20.06216542 19.77388 0.722141 19.12321825 19.71157 0.683469 18.00318015 19.62899 0.637905 16.77109024 19.44534 0.586019 16.17285307 19.31116 0.560049 10 15.36490432 19.23297 0.528497 11 14.75498925 19.21881 0.506168 12 14.6306821 18.82599 0.491457 13 12.85547812 18.50132 0.422224 14 9.519002379 17.59755 0.295082 15 8.073097963 16.50547 0.234117 16 6.888934118 15.25344 0.184288 17 6.101264218 13.90382 0.14862 18 5.744465522 12.5098 0.125845 19 5.775486258 11.09912 0.112261 20 7.200776088 8.265427 0.104428 21 7.265427 Bảng 3.3 Chế độ làm việc hợp lý công tác xoay-ép hạ cọc ống thép đá san hô (D=300 mm) TT α1 (độ) n (v/ph) vt (m/ph) 14.93141718 20 0.8 14.86021676 19.95562949 0.794242206 14.66768618 19.88637336 0.780766002 14.35419579 19.79152192 0.759710628 13.92059585 19.66984909 0.731294978 13.36826527 19.51951076 0.695816989 12.69918098 19.33788037 0.653653364 11.91601192 19.12129023 0.605260371 11.02225014 18.86462299 0.551177171 10 10.02241298 18.56065364 0.492034625 11 8.922406319 18.19895947 0.428575939 12 7.730289585 17.76405923 0.361703763 13 6.458109867 17.23217903 0.292589626 14 5.126713802 16.56583563 0.222937051 15 3.778689058 15.70706193 0.155609114 16 2.507131114 14.58296657 0.095778684 17 1.469767247 13.16720166 0.050676423 18 0.774175254 11.55388718 0.023418683 19 0.367218852 9.864574244 0.009483702 20 0.137308283 8.155830332 0.0029318 21 6.443446232 Bảng 3.4 Chế độ làm việc hợp lý công tác xoay-ép hạ cọc ống thép đá san hô (D=400 mm) TT α1 (độ) n (v/ph) vt (m/ph) 11.30993247 20 0.8 11.22800101 19.9636031 0.79324413 11.04673198 19.9007489 0.777197399 10.76703828 19.81057624 0.752074377 10.39046842 19.6916297 0.718215656 9.919252285 19.54173704 0.67608957 9.356372449 19.35781362 0.626296739 8.705677813 19.13555902 0.569580595 7.972076111 18.86898882 0.506849953 10 7.506900726 16.54970942 0.439225889 11 6.529328254 16.16580218 0.368137462 12 5.483843461 15.70018014 0.295512518 13 4.388858662 15.1285628 0.22412525 14 3.27635374 14.41873036 0.158037146 15 2.20222782 13.5374849 0.102391148 16 1.246460106 12.4752956 0.061105842 17 0.656874984 11.27121648 0.033989394 18 0.533981545 9.98925698 0.017603027 19 0.404859396 8.6754341 0.00815998 20 0.172575043 7.35099854 0.002878593 21 6.02381792 Đồ thị hình 3.19 hình 3.20 thể dải vận tốc dẫn tiến dải tốc độ xoay cọc ống thép D=200 mm theo thời gian, thời gian dừng T = 21,22 phút Giá trị α1 ứng với vận tốc dẫn tiến tốc độ xoay cọc theo bảng 3.2, thông số làm việc hợp lý: vận tốc dẫn tiến vt = 0,49 m/ph, tốc độ xoay cọc n =18,83 v/ph ứng với α1 =14,63 độ Đồ thị hình 3.21 hình 3.22 thể dải vận tốc dẫn tiến dải tốc độ xoay cọc ống thép D=300 mm theo thời gian, thời gian dừng T = 19,1892 phút Giá trị α1 ứng với vận tốc dẫn tiến tốc độ xoay cọc theo bảng 3.3, thông số làm việc hợp lý: vận tốc dẫn tiến vt = 0,36 m/ph, tốc độ xoay cọc n =17,76 v/ph ứng với α1 =7,73 độ Đồ thị hình 3.23 hình 3.24 thể dải vận tốc dẫn tiến dải tốc độ xoay cọc ống thép D=400 mm theo thời gian, thời gian dừng T = 17,68 phút Giá trị α1 ứng với vận tốc dẫn tiến tốc độ xoay cọc theo bảng 3.4, thông số làm việc hợp lý: vận tốc dẫn tiến vt = 0,295 m/ph, tốc độ xoay cọc n =15,7 v/ph ứng với α1 =5,48 độ 19 3.2.3 Khảo sát xác định khả hạ cọc 3.2.3.1 Bộ số liệu đầu vào Khả làm việc tối đa cơng tác xoay-ép tính thơng qua mơ men lớn mà mô tơ dẫn động dẫn tiến mơ tơ xoay cọc tạo Theo thiết kế, mơ tơ xoay kéo xích mơ tơ xoay cọc tạo mơ men lớn M kmax =607 Nm M xmax =770 Nm Do ta tính lực ép mô men xoay cọc tối đa mà cơng tác xoay-ép cọc là: Ft max M kmax it t Rt (3.10) M tmax M xmax ir r (3.11) Sử dụng thơng số đầu vào hệ thống gồm: bán kính bánh xoay xích, Rt 0,125 m ; tỉ số truyền hiệu suất truyền động cấu xoay xích, it 26,347; t 0,95 ,chúng ta tìm giá trị Ft max 121,5 kN M tmax 25,8 kNm 3.2.3.2 Kết khảo sát khả hạ cọc Hình 3.25 Kết tính toán lý thuyết phụ thuộc lực cản (trái) mơ men cản (phải) vào đường kính ống thép (D=200/300/400 mm) đặc tính san hơ γ =18 kN/m3 (trên) γ =25 kN/m3 (dưới) Dựa đồ thị hình 3.25 với lực ép mơ men xoay hai mơ tơ tính (lực ép lớn 127,9 kN mô men xoay lớn 26,5 kNm thể đường nét đứt đồ thị) hạ cọc với vận tốc dẫn tiến tốc độ vòng xoay hợp lý xác định mục 3.2.2.3 Nếu hạ cọc san hô lớp cành nhánh γ =18 kN/m3 cọc ống thép D = 400 mm hạ cọc đến độ sâu tối đa 12,5 m, cọc ống thép D = 300 mm hạ cọc đến độ sâu tối đa 14,5 m, cọc ống thép D = 200 mm hạ cọc sâu 15 m Đối với đá san hô γ = 25 kN/m3 cọc ống thép D = 400 mm hạ cọc đến độ sâu tối đa 7,75 m, cọc ống thép D = 300 mm hạ cọc đến độ sâu tối đa 8,8 m, cọc ống thép D = 200 mm hạ cọc 11,3 m KẾT LUẬN CHƯƠNG Chương đạt kết sau: - Khảo sát số thông số đặc trưng cho chế độ làm việc cơng tác thơng qua mơ hình động lực học xây dựng chương về: chuyển vị, vận tốc dẫn tiến, gia tốc khâu khâu với hai chuyển động dẫn tiến xoay cọc ống thép (kết khảo sát thể mục 3.1.1) - Khảo sát thay đổi lực cản mô men cản xoay-ép hạ cọc (kết khảo sát thể mục 3.1.2), ảnh hưởng đường kính cọc đến dịch chuyển vận tốc dịch chuyển (kết khảo sát thể mục 3.1.3), thay đổi lực cản mô men cản thay đổi lượng riêng lớp san hô (kết khảo sát thể mục 3.1.4) 20 - So sánh kết tính tốn mơ hình lý thuyết với thực nghiệm: vận tốc dẫn tiến sai số 14,7% Có kết luận án xây dựng mơ hình động lực học phù hợp với thực tế, sai số nằm giới hạn cho phép chấp nhận - Đã xác định thông số làm việc hợp lý công tác xoay-ép hạ cọc ống thép với đường kính cọc ống thép khác Với cọc ống thép D= 200 mm n = 18,83 v/ph vt = 0,49 m/ph, ứng với góc α1 =14,63 độ Với đường kính cọc ống thép D= 300 mm n = 17,76 v/ph vt = 0,36 m/ph ứng với góc α1 =7,73 độ Với đường kính cọc ống thép D= 400 mm n = 15,7 v/ph vt = 0,295 m/ph ứng với góc α1 =5,48 độ - Khảo sát khả hạ cọc công tác xoay-ép hạ cọc ống thép với với đường kính D = 200 ÷ 400 mm hạ cọc vào san hô khác Với đá san hô cọc ống thép D = 400 mm hạ cọc đến độ sâu tối đa 7,75 m, cọc ống thép D = 300 mm hạ cọc đến độ sâu tối đa 8,8 m, cọc ống thép D = 200 mm hạ cọc đến độ sâu tối đa 11,3 m CHƯƠNG NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM 4.1 Mục tiêu, thông số làm thực nghiệm trang thiết bị thực nghiệm 4.1.1 Mục tiêu nghiên cứu thực nghiệm - Đo áp suất lưu lượng mô tơ xoay cọc mô tơ dẫn tiến cọc để tính gián tiếp thơng số đầu vào phục vụ giải toán động lực học Chương 2, khảo sát ảnh hưởng thông số làm việc đến trình khoan Chương - Kiểm tra kết tính tốn lý thuyết, so sánh độ sai lệch kết tính tốn lý thuyết thực nghiệm, từ đánh giá tính đắn mơ hình nghiên cứu - Thực nghiệm sơ bờ để kiểm tra làm việc công tác, kiểm tra thiết bị đo lưu lượng áp suất trước đưa thực nghiệm đảo Trường Sa - Thực nghiệm tiến hành Đảo Trường Sa lớn – Khánh Hịa từ ngày 15/06/2016 – 25/06/2016 4.1.2 Các thơng số làm thực nghiệm Các thông số đo trực tiếp trình thực nghiệm là: + Áp suất lưu lượng mô tơ xoay cọc; + Áp suất lưu lượng mô tơ dẫn tiến cọc; + Tốc độ xoay cọc Từ thông số áp suất lưu lượng đo trực tiếp cho phép xác định gián tiếp thông số thực nghiệm là: + Tổng mô men cản lực cản tác động lên trục mô tơ xoay cọc mô tơ dẫn tiến cọc; + Công suất tức thời mô tơ xoay cọc mô tơ dẫn tiến cọc; + Tốc độ dẫn tiến cọc thâm nhập vào Hình 4.2 Nghiên cứu sinh đoàn cán vị Hình 4.1 Nghiên cứu sinh đồn cán vị trí thực nghiệm Đảo Trường Sa lớn trí thực nghiệm đất liền cầu Mai Lĩnh 4.1.3 Trang thiết bị làm thực nghiệm 4.1.3.1 Máy sở công tác - Máy sở máy xúc PC - 450 Đây máy xúc đại Nhật sản xuất có áp suất thủy lực làm việc liên tục khoảng 350 Bar đơn vị sử dụng rộng rãi xây dựng Sau tháo tay gầu máy xúc, thiết bị công tác lắp lên cần máy xúc vị trí tay gầu, nguồn thủy lực cung cấp dẫn động cho thiết bị để xoay dẫn tiến cọc ống thép nối với nguồn thủy lực dẫn động búa đục nguồn thủy lực dẫn động xi lanh gầu (Hình 4.3) 21 4.1.3.2 Cọc ống thép - Cọc ống thép loại thông dụng chế tạo Việt Nam theo tiêu chuẩn Nhật Bản (Hình 4.4) Hình 4.4 Cọc ống thép làm thực nghiệm Hình 4.3 Bộ cơng tác lắp máy xúc PC450 làm thực nghiệm đảo Trường Sa lớn 4.1.3.3 Các đầu đo trực tiếp Đo áp suất, sử dụng 02 đầu đo OEM-511 Hãng Huba Control Thụy Sỹ chế tạo Đo lưu lượng, sử dụng 02 đầu đo R4S-7HD-25 Đo tốc độ vòng xoay ống thép, sử dụng đầu đo tốc độ vòng xoay HHT13 4.1.3.4 Thiết bị ghi xử lý tín hiệu Sử dụng thiết bị NI-6009 Hãng National Instruments Mỹ chế tạo, có chức nhận tín hiệu từ thiết bị đo đưa đến máy tính Tín hiệu vào máy tính xử lý phần mềm DaSyLab 10, thiết lập kênh đo theo sơ đồ 4.2 Các bước tổ chức thực nghiệm xử lý kết thực nghiệm 4.2.1 Chuẩn bị làm thực nghiệm Lựa chọn vị trí, mơi trường thực nghiệm: Vị trí thực nghiệm tiến hành đảo Trường Sa lớn – Huyện Trường Sa –Tỉnh Khánh Hịa Mơi trường tiến hành thực nghiệm môi trường đảo san hơ hóa thạch bao gồm lớp: Lớp – Cát san hơ lẫn sạn, sỏi, màu xám trắng; Lớp – Sạn gồm cành, nhánh lẫn dăm, tảng san hô màu xám trắng; Lớp – Đá san hơ màu xám trắng, xám vàng 4.2.2 Bố trí đầu đo thiết bị đo a Sơ đồ nhận tín hiệu đầu đo b Sơ đồ bố trí đầu đo Hình 4.5 Sơ đồ đấu nối thiết bị đo vào thiết bị Hình 4.6 Bố trí đầu đo nhận tín hiệu máy tính 4.3 Tiến hành thực nghiệm 4.3.1 Trình tự tiến hành thực nghiệm Quá trình thực nghiệm thực theo bước sau: - Bước 1: Tập kết toàn máy móc thiết bị trường, tháo tay gầu máy xúc, lắp công tác xoay hạ cọc vào máy sở, lắp cọc ống thép (ống thép thứ có cắt san hơ) vào thiết bị (Hình 4.7a) - Bước 2: Lắp đặt đầu đo lên cơng tác xoay hạ cọc (Hình 4.7b) - Bước 3: Nổ máy, vận hành đưa công tác xoay-ép hạ cọc vào vị trí thực nghiệm (Hình 4.7c) 22 - Bước 4: Định vị máy thực nghiệm hạ cọc, đảm bảo máy ổn định trình làm việc (Hình 4.7d) - Bước 5: Vận hành công tác xoay hạ cọc, đo thông số hoạt động mô tơ thủy lực (xoay dẫn tiến cọc) chế độ chưa hạ ống thép vào san hô - Bước 6: Vận hành công tác xoay-ép hạ cọc, đo thông số hoạt động mô tơ thủy lực (xoay dẫn tiến cọc) chế độ khoan hạ cọc xuống san hơ (Hình 4.8) a - Tập kết máy vị trí thực nghiệm c - Di chuyển máy vị trí thực nghiệm Hình 4.7 Thực nghiệm đảo Trường Sa Lớn b – Lắp đặt đầu đo d – Định vị máy thực nghiệm hạ cọc Hình 4.8 Vận hành đo thông số kết thúc thực nghiệm 4.3.2 Kết đo thực nghiệm Bảng 4.1 Kết đo lần Áp suất Áp suất Lưu lượng Lưu lượng Thời gian Tốc độ vòng xoay cọc dẫn tiến xoay cọc dẫn tiến [s] xoay [V/ph] [bar] [bar] [L/ph] [L/ph] 00,000 00,00 00,00 00,00 00,00 00,00 00,100 6,38 0,61 20,00 20,97 19,65 00,200 6,78 0,96 20,00 21,07 19,50 ………… ………… ………… ………… ………… ………… Bảng 4.2 Kết đo lần Áp suất Áp suất Lưu lượng Lưu lượng Thời gian Tốc độ vòng xoay cọc dẫn tiến xoay cọc dẫn tiến [s] xoay [V/ph] [bar] [bar] [L/ph] [L/ph] 00,000 5,83 1,56 20,00 23,43 18,64 00,100 6,57 2,05 20,00 20,40 19,37 00,200 6,94 2,20 20,00 20,39 19,46 ………… ………… ………… ………… ………… ………… Bảng 4.3 Kết đo lần Áp suất Áp suất Lưu lượng Lưu lượng Thời gian Tốc độ vòng xoay cọc dẫn tiến xoay cọc dẫn tiến [s] xoay [V/ph] [bar] [bar] [L/ph] [L/ph] 00,000 101,51 4,57 20,00 31,57 2,82 00,100 101,14 5,63 20,00 30,87 0,93 00,200 101,18 5,80 20,00 31,55 0,79 ………… ………… ………… ………… ………… ………… 23 4.3.3 Xử lý kết thực nghiệm 4.3.3.1 Cơ sở xác định giá trị tham số thực nghiệm - Trên sở liệu đo lưu lượng - Công suất dẫn động mô dầu làm việc qua mô tơ Qt,r ta tơ xác định theo cơng tìm tốc độ vịng xoay thức sau: mơ tơ dẫn động: nt ,r 10 Qt ,r Vt ,rq Pt ,r (4.1) nt ,r Qt ,r pt ,r 600m,h (4.2) - ta xác định lực cản Fre (kN) mô men cản Mre (kNm) tổng cộng nhờ cân công suất: P P Fre t ; M re r (4.3) vt r - Hai chuyển động cọc công thức (4.3) - Trên sở tốc độ hạ chìm cọc cơng thức (4.4), tính sau: chiều sâu cọc thay đổi theo thời gian tính cơng thức (4.5): vt nt Rt ; 30it r nr 30ir t (4.4) H t vt dt (4.5) 4.3.3.2 Đồ thị phân tích kết thực nghiệm Kết đo áp suất lưu lượng thực nghiệm xoay-ép hạ cọc thể hình 4.9 Các thơng số làm việc hệ thống thủy lực: p ~ 95 bar Q ~ 20 lít/phút hệ thống xoay ép Bằng việc sử dụng biểu thức công thức (4.2) (4.3), thay đổi tham số đặc trưng trình xoay-ép hạ cọc trình bày tương ứng hình 4.10, hình 4.11 Hình 4.9 Kết thí nghiệm đo áp suất lưu lượng mơ tơ xoay ép Hình 4.11 Sự thay đổi lực cản cơng suất theo Hình 4.10 Sự thay đổi mô men cản, công suất chiều sâu vận tốc theo chiều sâu Hình 4.10 cho thấy tốc độ ép cọc ổn định quanh giá trị ... lực cản bảo vệ cọc không bị biến dạng trình hạ cọc vào Chính luận án tập trung nghiên cứu công tác xoay-ép hạ cọc ống thép san hô 1.2.5 Bộ công tác xoay - ép hạ cọc ống thép 1.2.5.1 Bộ công tác. .. cơng tác xoay-ép hạ cọc ống thép vào san hô, chưa có mơ hình động lực học nghiên cứu thông số làm việc hợp lý công tác Luận án tập trung nghiên cứu tương tác cọc ống thép với san hô Trường Sa, nghiên. .. khả hạ cọc ống thép san hô đảo Trường Sa công tác kiểu xoay-ép lắp máy đào thủy lực? ?? nhằm làm sở khoa học cho việc chọn máy thi công, thiết kế khai thác hiệu công tác xoay-ép hạ cọc ống thép