NGHIÊN cứu THỰC NGHIỆM xác ĐỊNH NĂNG LƯỢNG đất hấp THỤ TRONG QUÁ TRÌNH đầm BẰNG máy LU RUNG

Kỷ yếu hội nghị khoa học và công nghệ toàn quốc về cơ khí - Lần thứ IV

NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM XÁC ĐỊNH NĂNG LƯỢNG ĐẤT HẤP THỤ
TRONG QUÁ TRÌNH ĐẦM BẰNG MÁY LU RUNG
EXPERIMENTAL STUDY TO IDENTIFY THE ENERGY THAT SOIL
ABSORBED DURING THE COMPACTION BY A VIBRATORY ROLLER
Trần Hữu Lý
Học viện Kỹ thuật Quân sự

TÓM TẮT
Đầm lèn là một trong những nguyên công quan trọng quyết định đến chất lượng và tuổi
thọ của công trình như đường, sân bay, bến bãi.... Việc mô hình hóa theo lý thuyết để xác định
các thông số đặc trưng của quá trình đầm góp phần không nhỏ đến việc hoàn thiện thiết kế
cũng như đưa ra các chế độ làm việc hợp lý cho máy. Bài báo đưa ra mô hình nghiên cứu
động lực học máy lu rung, cụ thể quá trình tương tác đất-trống lăn khi đầm lèn. Trên cơ sở lý
thuyết xây dựng được, bài báo xây dựng phương án, mô hình và tiến hành thực nghiệm để
đánh giá các thông số các đặc trưng của quá trình đầm. Kết quả nghiên cứu các đặc trưng
động lực học của quá trình đầm lèn góp phần lựa chọn chế độ đầm lèn hiệu quả cũng như
khảo sát được sự ảnh hưởng của các đặc tính môi trường đến chất lượng đầm lèn.
Từ khóa: năng lượng, đất đầm, máy lu rung, thực nghiệm, hấp thụ.
ABSTRACT
Compaction is one of the important step that effective to the quality and longevity of the
works such as roads, airports, harbors… The theoretical model to determine the specific
parameters of the compacted process contributes to find the perfect design as well as offering
reasonable working mode for the roller. This paper presents the dynamical model of a roller,
specifically to research on interactive process of soil-drum. Thank to the theoretical model,
the experimental equipment and diagram conducted to assess the parameters characteristic of
the process of compaction. Finding the dynamical characteristics of process for selection of
compaction mode as well as surveying of the impact of environmental features to quality
compaction.
Keywords: energy, soil, vibratory roller, experimental study, absorbed.

1. ĐẶC VẤN ĐỀ
Phương pháp rung thường được dùng để lèn chặt nền đường, nền kho tàng bến bãi, sân
bay, nền công trình xây dựng (nền nhà, nền đất khi đắp đập, đê…), đầm chặt các lớp kết cấu
áo đường bằng bê tông átphan, bê tông xi măng, cấp phối đá dăm…Khi máy rung làm việc,
ngoài trọng lượng bản thân còn có lực ly tâm do quả lệch tâm gây ra. Lực rung và trọng lượng
tĩnh tác dụng lên vật liệu, gây ra hiệu ứng di chuyển rung làm vật liệu bị lèn chặt lại. Rung
động làm cho lực ma sát và lực dính giữa các hạt vật liệu giảm đi, các hạt vật liệu dao động
theo phương thẳng đứng tới vị trí ổn định, xắp xếp lại lấp đầy lỗ rỗng làm cho dung trọng của
đất và độ chặt tăng lên, độ thấm nước giảm, khả năng chống biến dạng tăng.
Hiệu quả đầm rung phụ thuộc vào biên độ, tần số dao động, số lượt đầm, vận tốc đầm,
cách thức tiếp xúc giữa bánh đầm và đất…Thêm vào đó nó còn phụ thuộc vào các đặc tính
của môi trường đầm lèn. Tương tác bánh đầm - đất trong quá trình đầm quyết định đến chế độ
làm việc của máy đầm, ảnh hưởng đến các thông số động lực học của máy và tất nhiên ảnh
869


Kỷ yếu hội nghị khoa học và công nghệ toàn quốc về cơ khí - Lần thứ IV
hưởng đến chất lượng đầm lèn tức là có ảnh hưởng quyết định đến tuổi thọ và tiến độ thi công
công trình, một vấn đề cấp bách đang cần giải quyết.
2. CƠ SỞ XÁC ĐỊNH NĂNG LƯỢNG TIÊU HAO TRONG QUÁ TRÌNH ĐẦM
mf

zf

kf

cf

md
me

FD
zd
.
F=
s ks zd +cs zd

Hình 1. Máy lu rung bánh thép tự hành
1. Bánh lốp; 2. Trống lăn; 3. Khung máy

Hình 2. Mô hình động học máy lu rung

Mô hình máy lu rung được mô tả tổng quát bởi hệ 2 bậc tự do như hình 2, [5,6], ở đó
chuyển động của trống lăn được đặc trưng bởi zd và của phần khung máy là zf. Các đặc trưng
cơ bản của mô hình tương tác trống lăn và đất gồm: khối lượng của phần khung máy mf, khối
lượng của phần trống lăn và của khối lệch tâm là md và me. Phần kích động tạo ra của lu rung
được đặc trưng bởi hai đại lượng là tần số f và mô men tĩnh lệch tâm (Me= mere). Hệ thống
treo của máy lu rung được mô tả bởi độ cứng kf và hệ số giảm chấn cf, môi trường đất được
đưa vào mô hình với các đặc trưng là độ cứng ks và hệ số giảm chấn cs.
Một số giả thiết của mô hình nghiên cứu: chỉ xét bài toán phẳng; khối lượng khung máy
tác động lên bánh rung tập trung là mf; các khối lượng tập trung chỉ xét dao động theo phương
thẳng đứng; trống lăn luôn tiếp xúc với đất trong quá trình làm việc; nền đất không bị phá hủy
trong quá trình đầm.
Lực kích động của cơ cấu gây rung được tính:
FD  me re 2 sin(t);   2f

(1)

Lực liên kết giữa đất và trống lăn được tính bằng tổng cộng của lực đàn hồi và lực cản
nhớt của phần đất phía dưới trống lăn:

Fs  Fks  Fcs  ks zd  cs zd

(2)

Hệ phương trình vi phân mô tả chuyển động của trống lăn và phần khung máy được
thiết lập như sa:
(md  me )z d  cf (z d  z f )  k f (z d  z f )  FD  Fs

mf zf  cf (z d  z f )  k f (z d  z f )  0

(3)

Bằng các cách biến đổi toán học, có thể tìm được nghiệm zd trong hệ phương trình (4)
như sau:
z d (t) 

me re 2 sin(t)
   

k s 1  2    2D 
n 
 n  
2

870

2

(4)

Kỷ yếu hội nghị khoa học và công nghệ toàn quốc về cơ khí - Lần thứ IV
Trong đó: n  k s /  md  me  mf  và D  cs / 2(me  md  mf )n  , khi đó biên độ dịch
chuyển của trống lăn có thể xác định là:
me re 2

z 0d 
ks

 2  

1  2    2D 
n 
 n  

(5)

2

Theo đó các đặc trưng chuyển động của trống lăn có thể được biểu diễn ở dạng:
z d (t)  z 0d sin(t  )

0
z d (t)  z d cos(t  )

0 2
z d (t)  z d  sin(t  )

(6)

Khi đó, năng lượng mà đất hấp thụ được trong một chu kỳ đầm T  2 /  được tính:
T

T

0

0

WT =  Fs zd dt    k s z d  cs z d  z d dt

(7)

Thế các biểu thức (6) vào để tính tích phân trong công thức (7) nhận được:
WT =

me re 2

cs
c
me re 2 zd0 = s me re 2
ks
ks

   

1  2    2D 
n 
 n  
2

ks

2



(8)

Năng lượng để kích thích cơ cấu gây rung được tính:
T

W =  Pdt 
0

T

1
Qpdt
600 0

(9)

Trong đó, P(W) là công suất dẫn động mô tơ gây rung; Q(lít/phút), p(bar) là lưu lượng
và áp suất dầu đi qua mô tơ.
Dựa vào công thức tính lưu lượng dầu đi vào mô tơ, có thể xác định tốc độ vòng quay
của mô tơ rây rung:
Q

qvn

100Q

1000
3q v

(10)

Với qv là lưu lượng riêng của mô tơ, cm3/vòng; n là tốc độ quay của mô tơ, vòng/phút.
Thế công thức (10) vào công thức (8) và (9) nhận được năng lượng mà đất hấp thụ trong
khoảng thời gian một chu kỳ WT và năng lượng kích thích tổng cộng W như sau:

c
2
 WT = s  me e 
ks

ks


q p
 W  v 4
10


 n 

5

1     4D 
2

2 2

; 

100Q
3q v n

(11)

Hiệu quả hấp thụ năng lượng của đất đầm có thể được đánh giá thông qua chỉ số hấp thụ:


WT
W

871

(12)


Kỷ yếu hội nghị khoa học và công nghệ toàn quốc về cơ khí - Lần thứ IV
3. THÔNG SỐ ĐẦU VÀO VÀ QUY TRÌNH THÍ NGHIỆM
Đầu đo để đo được các thông số p và Q của mô tơ gây rung: sử dụng đầu đo áp suất
OCM-511 do Hãng Huba Control chế tạo (hình 3.a) và sử dụng đầu đo lưu lượng R4S-7HD25 do hãng AW-LAKE Company chế tạo (hình 3.b). Phương án bố trí đầu đo được thể hiện
trên hình 3.c (1-đầu đo lưu lượng; 2-đầu đo áp suất).
1

b)

2

c)

a)

Hình 3. Đầu đo phục vụ thí nghiệm
Sử dụng các tham số của máy lu Sakai SV512E: mf=1950(kg); md=3500(kg);
kf=5,46.106(N/m); cf=10480(Ns/m); ks= 87.106(N/m); cs=3440(Ns/m); qv=28,5(cm3/vòng);
mô men tĩnh lệch tâm Me1=3,55(kgm2) (chế độ nhẹ) và Me2=4,67(kgm2) (chế độ nặng); lưu
lượng làm việc tối đa của mô tơ gây rung là Qmax=72,07(lít/phút).
Tiến hành thí nghiệm cho mỗi chế độ nặng và nhẹ ở các mức độ mở cửa van phân phối
là để lưu lượng dầu qua mô tơ đạt: 0,25Qmax/0,5Qmax /0,625Qmax/0,75Qmax /0,875Qmax
/Qmax(lít/phút). Lưu lượng chỉ ở mức xấp xỉ tức dao động quanh các mức ở trên là do việc
duy trì độ mở của van phân phối được thực hiện bằng thủ công.
4. KẾT QUẢ NHẬN ĐƯỢC
Kết quả đo áp suất ở các lượt thí nghiệm thể hiện trên hình 4 và hình 5 cho hai chế độ
làm việc của máy:

Hình 4. Kết quả đo áp suất qua mô tơ gây rung (chế độ nhẹ)

872


Kỷ yếu hội nghị khoa học và công nghệ toàn quốc về cơ khí - Lần thứ IV

Hình 5. Kết quả đo áp suất qua mô tơ gây rung (chế độ nặng)
Bằng việc lấy giá trị trung bình của kết quả ở mỗi lần thí nghiệm nhận được các giá trị
áp suất trung bình (bảng 1).
Bảng 1. Bảng tổng hợp kết quả tính toán giá trị áp suất trung bình

p1

p2

p3

p4

p5

p6

(bar)

(bar)

(bar)

(bar)

(bar)

(bar)

Nhẹ

185,63

202,22

199,60

181,10

209,03

196,06

Nặng

189,41

207,97

195,95

180,93

207,90

208,54

Chế độ

Hình 6. Kết quả đo lưu lượng qua mô tơ gây rung (chế độ nhẹ)

Hình 7. Kết quả đo lưu lượng qua mô tơ gây rung (chế độ nặng)
873

Kỷ yếu hội nghị khoa học và công nghệ toàn quốc về cơ khí - Lần thứ IV
Tương tự nhận được giá trị lưu lượng trung bình ở 12 lần thí nghiệm.
Bảng 2. Bảng tổng hợp kết quả tính toán giá trị lưu lượng trung bình
Q1

Q2

Q3

Q4

Q5

Q6

(lít/phút)

(lít/phút)

(lít/phút)

(lít/phút)

(lít/phút)

(lít/phút)

Nhẹ

18,73

36,03

43,28

55,96

67,85

71,66

Nặng

17,65

37,25

45,35

54,05

67,41

72,07

Chế độ

Hình 8. Hiệu quả hấp thụ năng lượng của đất đầm
Theo kết quả tính toán trên hình 8 có thể nhận thấy rằng, với cả hai chế độ nhẹ và nặng
đều có 2 thí nghiệm cho kết quả hiệu quả truyền năng lượng  đạt cực trị, cụ thể ở chế độ nhẹ:

Qnh2  36,03 (lít/phút) và Qnh5  67,85 (lít/phút); ở chế độ nặng: Qng2  37,25 (lít/phút) và
Qng5  67,41 (lít/phút). Điều này chứng tỏ tồn tại 2 tần số rung: 1 tần số ở vùng tần số thấp và

1 ở vùng tần số cao đạt hiệu quả đầm lèn cao. Với đối tượng cụ thể là máy lu Saikai SV512E,
có thể thấy được tần số rung hiệu quả khi máy làm việc ở: chế độ nhẹ là 21,07(Hz) và
39,68(Hz); chế độ nặng là 21,78(Hz) và 39,42(Hz).
5. KẾT LUẬN
Bài báo đã xây dựng được mô hình tương tác giữa máy lu-đất sát với thực tế, trong đó
đã phát triển mô hình động lực học máy lu rung hai khối lượng để có thể xác định hiệu quả
truyền năng lượng rung của cơ cấu lệch tâm xuống đất đầm bằng các thông số đặc trưng của
mô tơ thủy lực gây rung (áp suất và lưu lượng công tác).
Xem xét chế độ làm việc nhẹ hay nặng là dựa vào độ lớn của mô men tĩnh lệch tâm và
tiến hành với sự thay đổi lưu lượng công tác của mô tơ thủy lực gây rung cho thấy: ở cả hai
chế độ làm việc đều xuất hiện tần số rung thấp và tần số rung cao mà đất đầm hấp thụ nhiều
năng lượng hơn các tần số khác. Thêm vào đó, về giá trị nh<ng có nghĩa là khi máy lu sử
dụng mô men tĩnh lệch tâm lớn thì đất hấp thụ năng lượng hiệu quả hơn.
Mô hình và kết quả nghiên cứu có thể sử dụng để nghiên cứu ảnh hưởng của các thông
số đặc trưng của đất và máy lu rung đến chất lượng đầm lèn.

874


Kỷ yếu hội nghị khoa học và công nghệ toàn quốc về cơ khí - Lần thứ IV
TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1] Trần Quang Hùng, Trần Hữu Lý, Vary amplitude and frequency of drum movements
dependence on the types and conditions of the compacted soil, Hội nghị quốc tế APAC
15, 10/2009.
[2] Chu Văn Đạt, Trần Hữu Lý, Trịnh Văn Hải, Nghiên cứu động lực học máy lu rung trên
nền đất đắp, Tạp chí cơ khí Việt Nam, số 8-8/2011.
[3] Mooney, M. & Adam, D., Vibratory Roller Integrated Measurement of Aerthwork: An

Overview, FMGM 2007: Seventh International Symposium on Field Measurements in
Geomechanics, Boston, Massachusetts, September 24-27, 2007.
[4] Selig, E.T. & Yoo, T.S., Dynamics of Vibratory Roller Compaction, Journal of the
Geotechnical Engineering Division, ASCE, 1979.
[5] Popa, G. & Nicoara, S.V., Study of Soil – Vibratory Roller Response, Ovidius University
Press, 3,4(2002)1, ISSN-12223-7221, Timisoara, Romania, 2003, pp. 151-156.
[6] Wolf, J.P., Foundation Vibration Analysis Using Simple Physical Models, Prentice Hall,
Englewood Cliffs, NY, 1994.
THÔNG TIN TÁC GIẢ
Trần Hữu Lý. Học viện Kỹ thuật Quân sự. . 0915555551.

875