Hình 1.5 giới thiệu một mặt cắt địa chất điển hình ở vùng đồng bằng ven biển và đồng bằng Bắc Bộ [44].
Hình 1.5. Mặt cắt địa chất ở vùng
đồng bằng ven biển và đồng bằng Bắc Bộ
1.2.2. Các thông số kỹ thuật của đất
Để có số liệu cho việc tính tốn và xác định ảnh hưởng của nền đất tới q trình đóng cọc hộ lan [26], cần tham khảo các thông số địa kỹ thuật như: độ chặt của đất, chỉ số ma sát R của nền đất, góc ma sát trong của đất, mơ đun biến dạng f E của nền đất, o cường độ lực dính kết khơng thốt nước C của đất… Theo [30], giá trị của các thông u số này được thể hiện qua các bảng 1.4, 1.5, 1.6, 1.7.
Bảng 1.4. Độ chặt của đất cát qc được xác định dựa theo sức kháng mũi xuyên Loại đất cát Giá trị q 10 Pa c, 5 Mức độ chặt Đất cát hạt thô và hạt vừa 150 50 150 50 Chặt Chặt vừa Rời Đất cát hạt mịn 120 40 120 40 Chặt Chặt vừa Rời Đất cát lẫn bụi 100 30 100 30 Chặt Chặt vừa Rời
Cát bụi bão hòa
70 20 70 20 Chặt Chặt vừa Rời
Bảng 1.5. Chỉ số ma sát Rf đối với đất nền vùng Hà Nội và lân cận
Loại đất cát Giá trị q 10 Pa c, 5 Giá trị Rf,%
Đất cát hạt thô và hạt vừa 90 0,8
Đất cát hạt mịn 90 0,5 1, 7
Cát bụi, cát pha 30 1, 0 3, 0
Đất sét pha 7 40 2, 0 4, 0
Đất sét 7 30 4, 0 9, 0
Bảng 1.6. Góc ma sát trong của đất cát được xác định phụ thuộc vào qc
Giá rị q 10 Pa c, 5 Góc ma sát trong j, độ
Với độ sâu 2 m Với độ sâu 5 m
10 28 26 20 30 28 40 32 30 70 34 32 120 36 34 200 38 36 300 40 38
Bảng 1.7. Mô đun biến dạng Ε0 của đất nền
Loại đất Giá trị q 10 Pa c, 5 Giá trị α 0
Đất sét, sét pha chặt, cứng 15 15 5 8 3 6 Đất sét, sét pha dẻo mềm và dẻo chảy 7 7 4,5 7,5 3 6 Bùn sét, bùn sét pha c q 6; W70% c q 6; W 70% 3 6 2 4 Cát pha 10 35 3 6 Cát 20 1,5 3 0 0 c Ε = α .q
1.3. Tổng quan về cơng tác cơ giới hóa thi cơng cọc hộ lan
Hiện nay nhu cầu cơ giới hóa cơng tác thi cơng cọc hộ lan tăng lên rất lớn. Việc sử dụng các máy chuyên dùng để đóng cọc là rất phổ biến, đem lại hiệu quả và năng suất cao, do đó nhiều nước trên thế giới đã thiết kế và chế tạo máy ĐCHL để sử dụng cho công tác thi công cọc như: Nhật Bản, Trung Quốc, Nga, Ý, Thổ Nhĩ Kỳ…
Các máy ĐCHL chuyên dùng của các nước trên thế giới khá đa dạng, có loại tự hành di chuyển trên bánh xích, bánh lốp hoặc có loại lắp trên xe cơ sở có sẵn… Những máy này có kết cấu khá gọn nhẹ, dễ vận hành. Đặc biệt ở một số nước như Ý, Nhật Bản thì máy đóng cọc hộ lan có kết cấu khá hiện đại, cơng tác cơ giới hóa được thực hiện từ khâu đóng cọc cho đến việc lắp các tấm chắn hộ lan vào cọc sau khi đóng. Tuy vậy, việc nghiên cứu về máy ĐCHL ở các nước cũng chỉ dừng lại ở việc tính tốn thiết kế các bộ phận của máy để chế tạo lắp ráp thành máy hồn chỉnh với mục đích đưa vào thi cơng. Cơng việc thiết kế máy đơn thuần thuộc về khâu tính tốn xác định các thông số kỹ thuật của các bộ phận máy, trên cơ sở đó giải quyết cơng nghệ cho khâu chế tạo máy. Còn việc nghiên cứu nâng cao để xác định kết cấu của máy sao cho hợp lý, đặc biệt là việc nghiên cứu xác định giá trị các thông số kỹ thuật (thông số kết cấu và thông số làm việc) của máy sao cho phù hợp với điều kiện thi công cụ thể phụ thuộc vào địa hình thi cơng, vào địa chất khu vực thi cơng và vào đặc tính kỹ thuật của cọc thì chưa được đề cập tới.
Ở Việt Nam, năm 2014, lần đầu tiên máy ĐCHL được đưa vào khai thác trên tuyến QL3 tại Lào Cai bằng máy nhập từ Trung Quốc. Từ năm 2014 đến 2017, số máy nhập về Việt Nam chỉ có khoảng 5 chiếc vì từ năm 2015, Việt Nam đã tự thiết kế, chế tạo được máy này có giá thành thấp hơn và cơng tác phục vụ kỹ thuật (bảo hành, bảo trì) thuận lợi hơn. Hiện nay, trong lĩnh vực chế tạo máy đóng cọc có 5 cơng ty, lĩnh vực dịch
vụ thương mại (bán, cho thuê máy) có 2 cơng ty và lĩnh vực thi cơng cọc có 5 cơng ty. Trong đó có Cơng ty TNHH Xây dựng và thương mại Linh Hà với sự hợp tác của các nhà khoa học [6] là tiến hành nghiên cứu, thiết kế bài bản và chế tạo máy MHP-01 có các tính năng kỹ thuật tốt hơn. Tuy nhiên, các máy ĐCHL hiện đang dùng ở Việt Nam đều có một số điểm chung như sau:
- Xe cơ sở có khung máy dạng khung phẳng với bốn cụm bánh xe, trong đó có hai bánh lái phía trước. Hai bánh chủ động lắp trên cùng một trục sau, tựa trên hai gối và khơng có bộ vi sai (do tốc độ di chuyển thấp, máy có kích thước nhỏ). Dẫn động di chuyển bằng bộ truyền xích từ động cơ thủy lực (ĐCTL) đến đĩa xích lắp trên trục. - Nguồn động lực hầu hết là động cơ diezel có cơng suất 20 25 kW .
- Sơ đồ hệ TĐTL của các máy tương tự nhau. Dùng búa thủy lực (BTL) treo trên cần đặt trên đầu cọc để đóng cọc bằng xung lực. Thân búa có bốn cụm bánh trượt trong cột dẫn hướng. Khi đóng cọc, cột ở vị trí thẳng đứng, được giữ và điều chỉnh bằng hai xi lanh thủy lực giữ và nghiêng cột. Việc nâng hạ búa được thực hiện thông qua việc nâng hạ cần nhờ XLTL.
Ngồi ra, có một số điểm khác nhau về cấu tạo của máy ĐCHL như sau:
a. Về liên kết giữa cột dẫn hướng búa với khung máy
Qua khảo sát thực tế cho thấy có hai dạng liên kết giữa cột dẫn hướng búa với
khung máy, được mơ tả trên hình 1.6.
Hình 1.6. Liên kết giữa cột dẫn hướng búa với khung máy
a. Cột dẫn hướng búa liên kết chốt ngang b. Cột dẫn hướng búa đặt trên khớp cầu 1- Cột dẫn hướng búa; 2(a)- Chốt ngang; 2(b)- Khớp cầu; 3- Gối đỡ; 4- XLTL giữ và nghiêng cột dẫn hướng; α ,α - Góc nghiêng cột khi đóng cọc; 1 2 - Góc nghiêng ngang
Máy đóng cọc hộ lan có kết cấu như hình 1.6 a là dạng cột dẫn hướng liên kết với khung máy bằng chốt ngang. Liên kết này không cho phép cột nghiêng trong mặt phẳng XOY ( =00), do đó khi đóng cọc trên đường dốc thì cọc sẽ nghiêng theo độ dốc của đường. Cịn máy đóng cọc hộ lan có kết cấu như hình 1.6 b là dạng cột dẫn hướng liên kết với khung máy bằng khớp cầu thì có khả năng khắc phục được hạn chế trên. Tức là cột dẫn hướng có thể nghiêng trong mặt phẳng XOY ( 00), cho phép máy đóng cọc ở những đoạn đường có độ dốc dọc của mặt đường lớn hơn 0
3,5 mà cột dẫn hướng cho búa và cọc vẫn theo phương thẳng đứng.
b. Về kết cấu khung máy cơ sở và vị trí đặt cột dẫn hướng búa
Các dạng kết cấu khung máy cơ sở và trị ví đặt cột dẫn hướng búa đóng cọc trên các loại máy đóng cọc hộ lan hiện có ở Việt Nam được mơ tả trên hình 1.7.
Hình 1.7. Các dạng khung máy cơ sở - bộ di chuyển và bố trí bộ cơng tác đóng cọc
trên khung máy
a. Dạng khung thẳng, bánh lốp đơn, bộ cơng tác đóng cọc ở giữa xe; b. Dạng khung thẳng, bánh lốp đơn, bộ cơng tác đóng cọc ở đầu xe; c. Dạng khung cong thép hình (đơn), bộ lốp đơi, bộ cơng tác đóng cọc ở giữa xe; d. Dạng khung cong tổ hợp thép
hình, bộ lốp sau kép, bộ cơng tác đóng cọc ở giữa xe
Qua thực tế vận hành cho thấy máy có kết cấu như hình 1.7 d có độ cứng vững và độ ổn định cao hơn, được các đơn vị sử dụng để thi cơng đóng cọc nhiều hơn các máy có kết cấu như hình 1.7 a, b và c.
Trên cơ sở phân tích các đặc điểm về cấu tạo của máy ĐCHL như trên, NCS đã chọn máy MHP-01 là máy đóng cọc có kết cấu như hình 1.7 b và 1.7 d, là dạng kết cấu có nhiều ưu điểm hơn để làm đối tượng nghiên cứu của luận án.
1.4. Tổng quan về máy đóng cọc hộ lan MHP-01 được chế tạo tại Việt Nam
1.4.1. Sơ đồ cấu tạo tổng thể của máy
Theo [6], sơ đồ cấu tạo kết cấu và các chi tiết cơ bản của máy đóng cọc hộ lan MHP-01 được mơ tả như trên hình 1.8.
Hình 1.8. Sơ đồ cấu tạo của máy đóng cọc hộ lan đường ô tô MHP-01
1- Cụm bánh xe bị động (bánh lái); 2- Động cơ diezel; 3- Máy phát điện; 4- Cụm điều chỉnh góc nghiêng; 5- Vơ lăng lái; 6- Ghế ngồi điều khiển; 7- Van phân phối tay gạt; 8- Cụm bánh xe chủ động; 9- Thùng dầu thủy lực; 10- Cụm mái che; 11- Khung trung gian; 12- Giá đỡ mô tơ quay bơm; 13- Cụm làm mát dầu; 14- Thanh chống; 15- XLTL nâng hạ cần; 16- XLTL thay đổi góc nghiêng cột; 17- Cần treo búa; 18- Đoạn cột dẫn hướng búa phía trên; 19- Đèn chiếu sáng; 20- Đoạn cột dẫn hướng búa phía dưới; 21- Búa thủy lực; 22- Đầu đóng cọc; 23- Chng rút cọc; 24- Cụm trụ lái; 25- Khung
sát xi máy; 26- Khung ngang di trượt; 27- Cụm trục chủ động; 28- Cọc ống thép
Để thuận tiện cho việc nghiên cứu ĐLH hệ khung sàn máy (mục 2.1), từ hình 1.8 ở trên, trong phạm vi luận án, “hệ khung sàn máy” được hiểu bao gồm các chi tiết và cụm chi tiết sau: 2, 3, 4, 5, 6, 7, 9, 10, 11, 12, 13, 25, 26.
1.4.2. Đặc tính kỹ thuật của máy
Bảng 1.8. Thông số kỹ thuật của máy đóng cọc hộ lan MHP-01
TT Thơng số kỹ thuật của máy Đơn vị đo Giá trị các thông số
1 Chiều dài máy mm 2620 2 Chiều rộng máy mm 2620 3 Chiều cao máy (Di chuyển/Làm việc) mm 2620 / 3890
4 Vệt bánh xe mm 1800
5 Trọng lượng máy kg 2250
6 Công suất động cơ diezel kW 22,5
7
Bơm thủy lực SAP-50/30 (Hàn Quốc)
Áp suất dầu thủy lực của bơm Pa 6
12.10 Tốc độ làm việc của bơm v / ph 1450
8
Búa thủy lực Hanwoo RHB 305 (Hàn Quốc)
Lưu lượng của búa thủy lực 3
m / s 10,8.10−4 Tần số va đập của búa thủy lực lần/phút 130 170
Trọng lượng búa thủy lực kG 260
Lực đóng cọc kN 35
9 Tốc độ di chuyển của máy km / h 8 1 0 10 Tốc độ đóng cọc m / phút 0,3 0, 4
1.4.3. Nguyên lý làm việc của máy MHP-01
Máy đóng cọc hộ lan MHP-01 là máy chuyên dùng, có nhiệm vụ đóng cọc vào nền bằng xung lực của búa kết hợp với lực của XLTL nâng hạ cần treo búa; hoặc dùng để nhổ cọc lên khỏi nền bằng XLTL khi cần thiết.
(t1) (Đưa đầu cọc
khớp vào đế búa thành 1 khối)
(t2) (Điều chỉnh máy cho cọc được thẳng đứng) (t3) (t4) Chu trình mới (t5)
Hình 1.9. Sơ đồ mơ tả chu trình đóng cọc của máy MHP-01
Máy đóng cọc MHP Cọc ống thép
141 mm; dài 2,1 m
Di chuyển dọc tuyến đường
Rải đều dọc tuyến Khoảng cách 3m/ cọc
Máy dừng đúng vị trí đóng cọc
Dựng cọc theo phương đứng đúng vị trí đánh dấu
Nâng cần treo búa, đưa búa lên cao trên 2,2 m
Co pít tơng XLTL Hạ cần Tạo lực ép giữ cọc - BTL làm việc đóng cọc - Kết hợp duy trì lực ép của XLTL - Cọc chìm vào nền 1,2 m thì dừng đóng cọc và ép cọc
- Nâng búa lên bằng XLTL
- Máy MHP di chuyển đến vị trí đóng cọc mới với Li = 3 m
Thời gian 1 chu trình (chu kỳ) đóng cọc:
( ) ( )
ck 1 2 3 4 5
Các trạng thái làm việc điển hình của máy MHP-01 được trình bày như dưới đây.
1.4.3.1. Trạng thái khi máy bắt đầu nâng búa
Đặc điểm làm việc: Cột (13) gồm 2 đoạn thẳng đứng nối với nhau bằng bốn bu lông và được tựa trên gối (G) tạo thành cột đứng dẫn hướng búa. Cần (8) và búa (14) được nâng lên bằng XLTL (6). Khi được nâng lên, búa (14) tì vào rãnh trong của cột (13) qua 2 cặp con lăn: Cặp con lăn 1 (CL1) ở phía trên và cặp con lăn 2 (CL2) ở phía dưới. Các chi tiết (5), (12), (9), (21) không ảnh hưởng đến quá trình nâng búa
Hình 1.10. Trạng thái khi máy
bắt đầu nâng búa
1.4.3.2. Trạng thái khi máy nâng búa đến vị trí cao nhất
Đặc điểm làm việc: Trong quá trình nâng búa lên cao, XLTL (6) và thanh giằng (5) nghiêng về phía bên phải. Ở một vài thời điểm khi tiến hành nâng búa, có thể điều khiển XLTL (9) để quá trình nâng cần (8) của XLTL (6) được dễ dàng hơn. Do có khoảng cách f giữa trọng tâm của Qb và tâm con lăn nên tồn tại lực R1 và R2 nhưng cũng như ở trường hợp a. lực R2 này khơng xét đến mà nó sẽ dùng để tính bền cho cột (13).
Hình 1.11. Trạng thái khi máy nâng búa
1.4.3.3. Trạng thái làm việc của máy khi tiến hành đóng cọc và dịch chỉnh máy
Dịch chỉnh tâm búa vào vị trí đóng.
Đưa cọc vào dưới búa. Hạ búa bằng XLTL (6) cho đế búa lọt vào đầu cọc, kiểm tra vị trí đóng. Điều khiển van thủy lực cho BTL (14) làm việc. Lực xung
x
P từ búa tác động lên đầu cọc, cọc chìm dần vào đất, trong lúc này XLTL (6) vẫn tiếp tục làm việc, co pít tơng lại để kéo cần (8) và búa (14) đi xuống. Đến độ sâu thiết kế thì dừng đóng. Nâng búa lên cao, dịch chuyển máy đến vị trí kế tiếp.
Hình 1.12. Trạng thái khi máy tiến hành
đóng cọc
1.4.3.4. Trạng thái làm việc của máy khi tiến hành nhổ cọc
Việc nhổ cọc sẽ được tiến hành trong hai trường hợp: Cọc đóng vào vị trí có vật cản cứng không thể xuống được và nhổ cọc cũ khi cải tạo, mở rộng lề đường. Cụm thiết bị khi rút cọc gồm có:
14.1. Đầu búa thủy lực; 14.2. Đầu kẹp cọc; 14.3. Chày nhổ cọc; 14.4. Đoạn cơn
nhổ cọc
Hình 1.13. Trạng thái khi máy nhổ cọc
Sau khi đặt ba đoạn côn (14.4) vào trong đầu cọc, tiến hành nâng búa lên bằng lực
P4 (do xi lanh (6) nâng cần (8) lên). Do cọc hộ lan có đường kính d 160 mm và chiều sâu đóng cọc h 1,2 m , cho nên cần quan tâm đến lực cản khi nhổ cọc. Có thể thay bộ cơn (14.4) bằng sợi cáp móc qua thanh thép 20 xuyên qua lỗ có sẵn ở đầu cọc; thao tác này thuận tiện hơn nhưng cần có sợi cáp treo vào chốt ngang phía dưới tấm ốp (14).
1.5. Tổng quan các cơng trình đã nghiên cứu trong và ngồi nước liên quan đến luận án
1.5.1. Tổng quan các cơng trình nghiên cứu về động lực học hệ thống truyền động thủy lực thủy lực
Trên thế giới và ở Việt Nam đã có nhiều tác giả, nhiều cơng trình đã nghiên cứu về ĐLH hệ thống TĐTL của các máy cơng tác nói chung và máy xây dựng nói riêng, như trình bày dưới đây:
* Theo [64], các tác giả Ю.П. Майоров, В.Ф. Кованский và các cộng sự đã giới thiệu kết quả nghiên cứu và phương pháp tính tốn ĐLH của hệ thống TĐTL với dịng chảy hở của dầu thủy lực, thường gặp đối với: Dẫn động tời, bộ công tác khoan, băng