Nghiên cứu phương pháp xác định các thông số khai thác hợp lý của thiết bị thi công cọc xi măng - đất trong công nghệ cọc vít ATT để gia cố nền móng các công trình giao thông ở Việt Nam

PGS. TS. Thái Hà Phi KS. Nguyễn Văn Kựu Trường đại học Giao thông vận tải ThS. Phạm Đình Nam Viện Khoa học và Công nghệ Giao thông vận tải Người phản biện: GS. TS. Chu Văn Đạt PGS. TS. Nguyễn Đăng Điệm

Tóm tắt: Bài báo trình bày tóm tắt các kết quả nghiên cứu của nhóm tác giả về các cơ sở khoa học trong việc xác định các thông số kỹ thuật hợp lý của thiết bị thi công cọc xi măng - đất trên máy khoan Bauer BG25 và ứng dụng các kết quả nghiên cứu vào một số trường hợp cụ thể trong thi công các công trình giao thông ở Việt Nam.

Từ khóa: Thiết bị thi công cọc xi măng - đất, cọc ATT, cọc xi măng - đất.

Abstract: This article briefly presents the results of the research of authors on method of determining reasonable technical parameter of cement-soil mixing pile equipment install in drilling machine Bauer BG25 and the application of  researchresults  to somes of specific cases in transportation  construction in Vietnam.

Keywords: Soil mixing pile equipment, ATT column, soil mixing pile.

1. Đặt vấn đề

Để xây dựng các công trình giao thông, việc đầu tiên cần quan tâm đến là nền, móng. Ở nước ta, rất nhiều công trình giao thông được xây dựng trên nền đất yếu. Xử lý nền đất yếu nhằm mục đích làm tăng sức chịu tải của nền đất, cải thiện một số tính chất cơ lý của nền đất như: Giảm hệ số rỗng, giảm tính nén lún, tăng độ chặt, tăng trị số mô-đun biến dạng, tăng cư­ờng độ chống cắt của đất...

Theo [4], mặc dù ra đời sau các công nghệ gia cố khác nhưng công nghệ cọc vít ATT (Asahi Tenox Technology) hiện đang được áp dụng khá rộng rãi ở Nhật Bản. Cọc vít ATT là cọc hỗn hợp (Hybrid column) được tạo thành sau khi hạ ống thép có cánh vít vào trong lòng cọc đất xi măng thi công theo phương pháp trộn sâu (Hình 1.1).

Hình 1.1: Cọc vít ATT

Để thi công cọc vít ATT cần có thiết bị thi công chuyên dùng. Các thiết bị thi công chuyên dùng phục vụ thi công cọc vít của Nhật Bản có giá thành rất cao (xấp xỉ 1 triệu USD một bộ). Tại một số công trình có áp dụng công nghệ này ở nước ta, từ cọc vít đến thiết bị thi công chuyên dùng đều được nhập khẩu từ Nhật Bản.

     Mặt khác, do điều kiện thi công ở Việt Nam có sự khác biệt với Nhật Bản, vì vậy việc nghiên cứu xác định các thông số hợp lý của thiết bị thi công cọc vít ATT là hết sức cần thiết, là cơ sở khoa học để chế tạo thiết bị ở trong nước.

2. Nội dung

2.1. Xây dựng mô hình toán xác định các thông số khai thác hợp lý của thiết bị thi công cọc vít ATT lắp trên máy cơ sở

Theo [4], quá trình thi công cọc ATT có thể chia làm hai giai đoạn như sau:

Giai đoạn 1: Thi công cọc xi măng - đất

- Khoan tạo lỗ xuống nền yếu, kết hợp với phun vữa xi măng để tạo ra cọc xi măng - đất trong lòng nền yếu.

Giai đoạn 2: Hạ cọc vít có cánh vào tâm trụ  cọc xi măng - đất

Hình 2.1: Quá trình thi công cọc vít ATT

- Hạ cọc vít có cánh vào tâm của cọc xi măng - đất để tạo thành 1 cơ cấu hỗn hợp gồm cọc xi măng - đất có lõi là cọc vít ATT.

Trong phạm vi nghiên cứu, bài báo trình bày phương pháp xác định các thông số kỹ thuật khai thác hợp lý của thiết bị thi công cọc vít ATT trong giai đoạn 1 của công nghệ đó là: Xác định các thông số hợp lý khi thi công cọc xi măng - đất.

* Theo [1], các thông số kỹ thuật chính của thiết bị trong khai thác là:

- N - Năng suất của máy khoan cọc xi măng đất, cm³/ph;

- v - Vận tốc nâng - hạ mũi khoan, cm/ph;

- n - Số vòng quay của trục khoan, v/ph;

- P - Công suất của máy khoan cọc xi măng đất, kW;

- g_e - Chi phí nhiên liệu kinh tế riêng của động cơ, g/kWh;

* Theo [2], ta có chi phí nhiên liệu riêng trên 1 đơn vị sản phẩm:

 

(1)

 

g_e - Chi phí nhiên liệu kinh tế riêng của động cơ, g/kWh;

P - Công suất động cơ, kW;

p_m - Tỷ trọng của nhiên liệu, kg/l;

N - Năng suất của máy, cm³/ph.

Mặt khác, theo [1], ta có:

- Năng suất của máy khoan cọc xi măng - đất:

 (2)

 

 N - Năng suất của máy khoan (cm³/ph);

F - Diện tích tiết diện khối:

 

 (3)

 

D - Đường kính mũi khoan, cm;

d - Đường kính trục mũi khoan, cm;

v - Vận tốc nâng - hạ mũi khoan, cm/ph

 

           (4)

 

 

S - Bước xoắn vít của mũi khoan,cm;

n - Số vòng quay của trục mũi khoan, (v/ph);

n₁ - Số vòng quay giới hạn của mũi khoan, v/ph;                                                                                      

 

(5)

 

α - Góc nghiêng của lưỡi cắt, rad;

f₁ - Hệ số ma sát giữa thép - đất;

f₂ - Hệ số ma sát giữa đất - đất;

d_c - Đường kính trung bình của mũi khoan, cm.

- Theo [3], công suất của động cơ:

   P = P₁ + P₂ , kW                                                              (6)

Trong đó: P - Công suất cần thiết của động cơ, kW;

P₁ - Công suất cần thiết để quay mũi khoan, kW;

P₂ - Công suất cần thiết để nâng - hạ mũi khoan, kW.

Công suất P₁:

 

 

 

 

 

 

 

         

 

Trong đó:

- k₂, k₃ - Hệ số lực cản cắt thuần túy, N/cm²;

- B - Chiều rộng phoi đất cắt, cm;

- h - Chiều dày phoi đất cắt, cm;

- ψ - Hệ số phụ thuộc giữa lực cản pháp tuyến và tiếp tuyến;

- β - Hệ số tương ứng với vận tốc quay;

- γ - Trọng lượng thể tích của đất, N/m³;

- g - Gia tốc trọng trường, m/s²;

- b - Bề rộng của cánh tay cắt, m;

- R - Chiều dài của cánh tay cắt tính từ tâm của trục quay, m;

- r - Bán kính trục mũi khoan, m.

- Thay các công thức vào (1) ta có hàm mục tiêu:

 

 

 

 

 

Nhiệm vụ đặt ra là xác định tốc độ nâng - hạ mũi khoan và tốc độ quay trục khoan hợp lý để hàm mục tiêu (8) - chi phí nhiên liệu riêng trên 1 đvsp -> min.

2.2. Sơ đồ thuật toán

 

2.3. Áp dụng mô hình thuật toán giải bài toán trong điều kiện thi công các công trình ở Việt Nam

2.3.1. Khảo sát sự thay đổi của vận tốc nâng - hạ mũi khoan theo thông số cấu tạo của mũi khoan (góc nâng).

* Trường hợp hạ mũi khoan đi xuống, các thông số đầu vào gồm: d_c = 60cm; f₂ = 0,75; f₁ = 0,1; s = 40cm, n = 20 ÷ 40v/ph, α = 15⁰ ÷ 27⁰.

Hình 2.2: Quan hệ giữa vận tốc nâng - hạ trục khoan với thông số  cấu tạo của mũi khoan (mũi khoan đi xuống)

* Trường hợp mũi khoan đi lên, các thông số đầu vào gồm: d_c = 60cm; f₂=0,85; f₁ = 0,3; s=40cm, n = 20 ÷ 40v/ph, α = 15⁰ ÷ 27⁰.

Hình 2.3: Quan hệ giữa vận tốc nâng - hạ trục khoan với thông số cấu tạo của mũi khoan (mũi khoan đi lên)

Ta thấy:

- Khi vận tốc trục quay tăng thì tốc độ nâng - hạ mũi khoan tăng.

- Khi góc nâng tăng lên thì tốc độ nâng - hạ mũi khoan giảm dần.

2.3.2. Xây dựng chương trình tính tốc độ nâng - hạ mũi khoan theo tiêu chí chi phí nhiên liệu riêng nhỏ nhất

Thông số kỹ thuật đầu vào: α = 30⁰; n = 20 ÷ 34 v/ph; v = 0,2 ÷ 1 m/ph; D = 60cm, d = 10cm; g_e = 0,2005g/kWh; p_m = 0,83 kg/l; g = 9,81 m/s²; γ = 18500 N/m³; β = 2; B = 25 cm; h = 4 cm; b = 0,08m; k₂ = 15 N/cm²; k₃ = 2 N/cm²; ψ = 0,3; R = 0,3m; r = 0,05 m.

Hình 2.4: Quan hệ giữa vận tốc và lượng tiêu  thụ nhiên liệu theo hàm mục tiêu

 Ta thấy:

- Khi tốc độ nâng hạ cần khoan thay đổi thì chi phí nhiên liệu riêng cũng thay đổi theo. Lượng tiêu hao nhỏ nhất ứng với tốc độ quay n = 23 v/ph và v = 0,35 m/ph.

3. Kết luận

- Đã xây dựng được phương pháp xác định thông số khai thác hợp lý của thiết bị thi công cọc xi măng - đất trong công nghệ cọc vít ATT với mô hình toán hàm mục tiêu (8); đã xây dựng được sơ đồ thuật toán và giải bài toán dưới sự trợ giúp của phần mềm Microsoft Office 2014.

- Đã xác định được vận tốc quay hợp lý của thiết bị thi công cọc xi măng - đất đặt trên máy khoan Bauer BG25 là n = 23 v/ph, v = 0,35 m/ph.

Tài liệu tham khảo

[1]. U.A.Vetrov.B.L.Baladinski (1980), Máy làm đất chuyên dùng, NXB. Kiev (bản tiếng Nga).

[2]. B.I. Balonhe (2001), Máy xây dựng đường và làm đường, NXB. Mossco (bản tiếng Nga).

[3]. Trường Đại học GTVT (2014), Nghiên cứu thiết kế bộ công tác máy khoan gia cố cọc xi măng - đất và lựa chọn lắp trên máy cơ sở phù hợp, Đề tài NCKHSV.

[4]. Phạm Hoàng Kiên, Daisuke Ito, Eijiro Migozuchi, Nguyên cứu về khả năng chịu tải trọng nhổ của cọc vít ATT- 40 years of cooperation between Vietnam and Japan in Construction sector, Achievements and opportunities - ISBN: 978-604-82-0053-4.