Thiết kế búa rung cọc ván thép LARSEN IV dài 12m

Đồ án tốt nghiệp

Ngành : Kỹ thuật cơ khí

LỜI NÓI ĐẦU
Hiện nay đất nước ta ngày càng phát triền, nền kinh tế nước ta đã và đang hoà
nhập với nền kinh tế thế giới. Trong quá trình phát triển sẽ xuất hiện nhiều trung
tâm chính trị, kinh tế, xã hội như Hà Nội, thành phố Hồ Chí Minh, thành phố Đà
Nẵng…Cùng với sự phát triển về dân số, tập trung dân cư do vậy việc giải quyết cơ
sở hạ tầng là hết sức bức thiết . Do vậy việc áp dụng những thành tựu khoa học kĩ
thuật vào công tác thi công công trình xây dựng là rất quan trọng và cần thiết vì nó
có thể nâng cao năng suất và giảm nhẹ sức lao động, tăng chất lượng sản phẩm và
khả năng làm việc ở những điều kiện phức tạp.
Giải quyết bài toán cơ sở hạ tầng đó là xây dựng các công trình mới, tu bổ và
nâng cấp các công trình cũ. Để làm được điều đó đòi hỏi phải có sự tham gia của
nhiều ngành kỹ thuật khác nhau trong đó có ngành Máy xây dựng chiếm một vai trò
hết sức quan trọng.
Ngày nay yêu cầu xây dựng các công trình ngày càng khắt khe. Việc xây dựng
không những phải đảm bảo đúng tiến độ mà còn đảm bảo độ an toàn cao cho công
trình và các công trình xung quanh .
Trong xây dựng các công trình, việc xây dựng gia cố nền móng chiếm tầm
quan trọng chủ chốt. Và việc sử dụng búa rung để đóng cọc ván thép chính là một
trong những phương pháp thi có thể đáp ứng được các yêu cầu trong thi công móng
cọc. Hiện nay phương pháp này được sử dụng rất rộng rãi ở Việt Nam đã đem lại
hiệu quả cao.
Chính vì vậy mà em được giao đề tài: “Thiết kế búa rung cọc ván thép
LARSEN IV dài 12m” .Việc tìm hiểu nghiên cứu thiết kế búa rung cọc ván thép là
một công việc rất bổ ích với sinh viên chúng em,giúp chúng em biết được cấu tạo
nguyên lý làm việc của máy và các bước thi công móng cọc phục vụ cho công tác
khi ra trường.

Sinh viên: Vũ Thái Long

1

Lớp 50M-TBLĐ


Đồ án tốt nghiệp

Ngành : Kỹ thuật cơ khí

Em xin chân thành cảm ơn thầy giáo T.S.Nguyễn Đức Ngọc cùng các thầy cô
trong bộ môn đã nhiệt tình hướng dẫn giúp đỡ em hoàn thành đồ án tốt nghiệp này
trong 14 tuần vừa qua.
Một lần nữa em xin chân thành cảm ơn!

Hà Nội, tháng…..năm 2012
Sinh viên thực hiện
Vũ Thái Long

.

Sinh viên: Vũ Thái Long

2

Lớp 50M-TBLĐ


Đồ án tốt nghiệp

Ngành : Kỹ thuật cơ khí

MỤC LỤC

Sinh viên: Vũ Thái Long

3

Lớp 50M-TBLĐ


Đồ án tốt nghiệp

Ngành : Kỹ thuật cơ khí

CHƯƠNG I: TẦM QUAN TRỌNG CỦA MÓNG CỌC VAI TRÒ ỨNG DỤNG
VÀ CẤU TẠO CỌC VÁN THÉP
1.1 Tầm quan trọng của móng cọc đối với công trình xây dựng.
Tất cả các công trình xây dựng nhân tạo đều truyền tải trọng bản thân và hoạt
tải qua nền móng xuống đất. Tùy theo tính chất công trình , tải trọng truyền xuống
đất có thể lớn hay nhỏ dưới các trạng thái lực phân bố đa dạng khác nhau. Nếu nền
đất tự nhiên có thể thỏa mãn được điều kiện chịu lực của công trình xây dựng của
công trình xây dựng trên nó theo các thông số đánh giá như tính kháng nén
(lún),tính kháng cắt…ứng với các điều kiện địa chất ,thủy văn biến động khác thì
việc gia cố nền móng sẽ không cần thiết nữa.
Tuy nhiên như chúng ta đã biết Việt Nam là một đất nước có nền đất phức tạp
và chủ yếu là nền đất yếu vì vậy hầu hết các công trình trước khi xây dựng nên đều
phải gia cố nền. Mặt khác do đòi hỏi xu thế phát triển của nền kinh tế thì các công
trình xây dựng nên là những công trình lớn tải trọng của nó truyền xuống nền rất

lớn và ngày càng tăng.
Như vậy việc gia cố nền móng trước khi xây dựng là một điều kiện tất yếu. Và
chi phí cho việc gia cố nền móng trong giá thành công tình chiếm một tỷ lệ đáng kể:
15% - 50%.
Trong những năm gần đây đất nước ta không ngừng có những sự phát triển và xây
dựng những cơ sở hạ tầng tạo nên sự chuyển biến mới về đời sống dân sinh cũng như sự
phát triển kinh tế. Nó tạo tiền đề cho sự phát triển của các ngành xây dựng.
Trong các công trình xây dựng đó việc thi công móng cọc có ý nghĩa rất quan
trọng về mặt kinh tế, kĩ thuật. Vì vậy muốn đảm bảo chất lượng cao cho các công
trình xây dựng thì việc thi công móng cọc lá một yếu tố đặt lên hàng đầu trong khi
thiết kế và thi công.
Từ trước tới nay, móng cọc là một trong những biện pháp được áp dụng nhiều
trong việc xây dựng các công trình chịu tải trọng lớn. Vì vậy cần phải có các biện
pháp xử lý và thi công móng cọc hợp lý để đáp ứng được những nhược điểm này.

Sinh viên: Vũ Thái Long

4

Lớp 50M-TBLĐ


Đồ án tốt nghiệp

Ngành : Kỹ thuật cơ khí

Nhiệm vụ chủ yếu của móng cọc là nhận một phần hoặc toàn bộ tải trọng và
ngoại lực truyền xuống đất chịu lực tốt nằm dưới sâu. Nếu chân cọc tỳ lên nền đất
chắc ta có cọc chống, nếu tải trọng truyền vào đất chủ yếu nhờ lực ma sát giữa đất
và mặt bên của cọc ta có cọc treo.

Tính ưu việt của móng cọc, chẳng những nó thể hiện ở chỗ khắc phục hoặc hạn
chế biến dạng lún có trị số quá lớn và biến dạng không đều của nền đất cũng như
đảm bảo ổn định cho công trình khi có tải trọng ngang tác dụng mà còn rút ngắn
khoảng thời gian thi công, giảm bớt được khối lượng vật liệu xây dựng móng và
khối lượng đào đắp đất, cơ khí hóa trong việc chế tạo và thi công cọc. Tuy nhiên
cần chú ý rằng nếu sử dụng móng cọc không hợp lý sẽ gây lãng phí và nguy hiểm
cho công trình. Mặt khác quá trình thi công móng cọc còn phải đòi hỏi có một số
thiết bị thi công phức tạp và đội ngũ thi công phải có trình độ tay nghề nhất định.
Ở nước ta móng cọc đã được áp dụng từ lâu trong việc xây dựng các công
trình. Các cơ quan thiết kế đã mạnh dạn áp dụng móng cọc để xây dựng các công
trình trên nền đất cứng có chiều dày lớn có nhiều ở các tỉnh đồng bằng. Dưới đây
nêu một vài ví dụ điển hình về việc áp dụng móng cọc vào xây dựng các công trình
trên nền đất cứng: Khu chung cư Hồ Linh Đàm(Hà Nội) được thiết kế với loại cọc
bê tông 30x30x1200, khu đô thị mới Trung Hòa Nhân Chính móng được gia cố
bằng cọc kích thước 30x30 dài từ 6-10m ….
Ngành thủy lợi là ngành sử dụng móng cọc khá nhiều:Dùng cọc tre để đắp cừ,
đắp đê quai, đê chống lụt, dùng cọc tre, gỗ, cọc bê tông cốt thép để gia cố nền móng
các công trình như: Thủy điện, đập, trạm bơm nhỏ và vừa xây dựng trên nền đất
cứng. Và khi xây dựng các công trình lớn như: Hệ thống 6 trạm bơm lớn Bắc Nam
Hà đều được sử dụng cọc bê tông cốt thép để xử lý nền móng.
Ngày nay với sự ra đời của lý thuyết biến dạng của Γ epy và lý thuyết sóng của
cenbenan và các công trình nghiên cứu khác đã cho phép khắc phục được những
thiếu sót của lý thuyết va đập cổ điển của Newton. Trên cơ sở lý thuyết động người
ta đã tiến hành nghiên cứu một hệ thống hoàn chỉnh “búa- cọc- đất”. Đây là một vấn
đề mới mẻ, các công trình nghiên cứu áp dụng lý thuyết sóng vào bài toán cọc chưa

Sinh viên: Vũ Thái Long

5

Lớp 50M-TBLĐ


Đồ án tốt nghiệp

Ngành : Kỹ thuật cơ khí

được áp dụng nhiều trong thực tế vì còn nhiều hạn chế. Nhưng trong tương lai nó sẽ
đóng góp quan trọng cho khoa học.
1.2. Vai trò ứng dụng và cấu tạo của cọc ván thép.
Cọc ván thép là một dạng kết cấu được gia công uốn nguội từ thép tấm theo
các hình dạng được tính toán trước sao cho có lợi cho việc chịu các tải trọng ngang
và đứng. Hiện nay cọc ván thép có các hình dạng tiết diện khác nhau và ngày càng
có nhiều tính năng ưu việt hơn. Các ván cừ thép được liên kết với nhau thông qua
các mối liên kết giữa chúng ở hai bên tạo thành một bức tường liên tục có kết cấu
chắc chán để chịu các áp lực ngang và tải trọng đứng nhờ sức chống đầu cọc và ma
sát thân cọc với đất nền.
1.2.1. Vai trò.
Trong thực tế có rất nhiều loại cọc được sử dụng trong các công trình xây
dựng. Cùng với sự phát triển của loài người là sự phát triển của xây dựng dân dụng
con người đã sử dụng cọc bằng tre, gỗ, cọc bê tông, thép, bê tông cốt thép… để xử
lý nền móng. Ngày nay, trong lĩnh vực xây dựng, cọc ván thép (cừ thép, cừ Larssen,
cọc bản) được sử dụng ngày càng phổ biến. Từ các công trình thủy công như cảng,
bờ kè, cầu tàu, đê chắn sóng, công trình cải tạo dòng chảy, công trình cầu, đường
hầm đến các công trình dân dụng như bãi đậu xe ngầm, tầng hầm nhà nhiều tầng,
nhà công nghiệp…đều sử dụng cọc ván thép. Vì sử dụng cọc ván thép có một số ưu
điểm sau:
- Khả năng chịu ứng suất động khá cao (cả trong quá trình thi công lẫn trong
quá trình sử dụng).
- Khả năng chịu lực lớn trong khi trọng lượng khá bé.

- Cọc ván thép có thể nối dễ dàng bằng mối nối hàn hoặc bulông nhằm gia
tăng chiều dài.
- Cọc ván thép có thể sử dụng nhiều lần, do đó có hiệu quả về mặt kinh tế.
- Cọc ván thép có thể sử dụng nhiều lần, do đó có hiệu quả về mặt kinh tế.
Mặc dù vậy cọc ván thép có nhược điểm là bị ăn mòn trong môi trường làm

Sinh viên: Vũ Thái Long

6

Lớp 50M-TBLĐ


Đồ án tốt nghiệp

Ngành : Kỹ thuật cơ khí

việc (khi sử dụng cọc ván thép trong các công trình vĩnh cửu). Tuy nhiên nhược
điểm này hiện nay hoàn toàn có thể khắc phục bằng các phương pháp bảo vệ như
sơn phủ chống ăn mòn, mạ kẽm, chống ăn mòn điện hóa hoặc có thể sử dụng loại
cọc ván thép được chế tạo từ loại thép đặc biệt có tính chống ăn mòn cao.
Ngoài ra, mức độ ăn mòn của cọc ván thép theo thời gian trong các môi
trường khác nhau cũng đã được nghiên cứu và ghi nhận lại. Theo đó, tùy thuộc vào
thời gian phục vụ của công trình được quy định trước, người thiết kế có thể chọn
được loại cọc ván thép với độ dày phù hợp đã xét đến sự ăn mòn này.
1.2.2. Ứng dụng.
Với khả năng chịu tải trọng động cao, dễ thấy cọc ván thép rất phù hợp cho
các công trình cảng, cầu tàu, đê đập, ngoài áp lực đất còn chịu lực tác dụng của
sóng biển cũng như lực va đập của tàu thuyền khi cặp mạn.
Trên thế giới đã có rất nhiều công trình cảng được thiết kế trong đó cọc ván

thép (thường kết hợp với hệ tường neo và thanh neo) đóng vai trò làm tường chắn,
đất được lấp đầy bên trong và bên trên là kết cấu nền cảng bê tông cốt thép với
móng cọc ống thép hoặc cọc bê tông cốt thép ứng suất trước bên dưới. Tường cọc
thép này cũng được ngàm vào bê tông giống như cọc ống. Hệ tường neo thông
thường cũng sử dụng cọc ván thép nhưng có kích thước và chiều dài nhỏ hơn so với
tường chính. Thanh neo là các thanh thép đường kính từ 40mm đến 120mm có thể
điều chỉnh chiều dài theo yêu cầu. Việc thiết kế công trình cảng sử dụng cọc ván
thép có thể tiết kiệm về mặt chi phí hơn vì nếu không dùng cọc ván thép thì số
lượng cọc ống bên dưới kết cấu nền cảng sẽ phải tăng lên nhiều và phải thiết kế
thêm cọc xiên để tiếp thu hoàn toàn các tải trọng ngang tác dụng vào kết cấu nền
cảng (hình 1.1).

Sinh viên: Vũ Thái Long

7

Lớp 50M-TBLĐ


Đồ án tốt nghiệp

Ngành : Kỹ thuật cơ khí

Hình 1.1
Bên cạnh công trình cảng, nhiều công trình bờ kè, kênh mương, cải tạo dòng
chảy cũng sử dụng cọc ván thép do tính tiện dụng, thời gian thi công nhanh, độ bền
chịu lực tốt(hình 1.2)

Hình 1.2

Sinh viên: Vũ Thái Long

8

Lớp 50M-TBLĐ


Đồ án tốt nghiệp

Ngành : Kỹ thuật cơ khí

Với các công trình đường bộ, hầm giao thông đi qua một số địa hình đồi dốc
phức tạp hay men theo bờ sông thì việc sử dụng cọc ván thép để ổn định mái dốc
hay làm bờ bao cũng tỏ ra khá hiệu quả(hình 1.3)

Hình 1.3
Trong các công trình dân dụng, cọc ván thép cũng có thể được sử dụng để
làm tường tầng hầm trong nhà nhiều tầng hoặc trong các bãi đỗ xe ngầm thay cho
tường bê tông cốt thép. Khi đó, tương tự như phương pháp thi công topdown, chính
cọc ván thép sẽ được hạ xuống trước hết để làm tường vây chắn đất phục vụ thi
công hố đào. Bản thân cọc ván thép sẽ được hàn thép chờ ở mặt trong để có thể bám
dính chắc chắn với bê tông của các dầm biên được đổ sau này. Trên các rãnh khóa
giữa các cọc ván thép sẽ được chèn bitum để ngăn nước chảy vào tầng hầm hoặc có
thể dùng đường hàn liên tục để ngăn nước (trong trường hợp này nên dùng cọc bản
rộng để hạn chế số lượng các rãnh khóa)(hình 1.4).

Hình 1.4

Sinh viên: Vũ Thái Long

9

Lớp 50M-TBLĐ


Đồ án tốt nghiệp

Ngành : Kỹ thuật cơ khí

Ứng dụng cọc ván thép trong thi công công trình thủy lợi
1. Thi công công trình trên bãi sông.
2. Xây dựng công trình ngay trên lòng sông dẫn qua kênh dẫn dòng được đào
vòng qua khu vực thi công
3. Xây dựng từng phần ngay trên lòng sông, dẫn dòng qua phân sông còn lại.
Đối với các công trình xây dựng trên lòng sông, giữ khô hố móng là đê quay
sang bằng đất đắp vây xung quanh hạng mục cần thi công. Công nghệ này thích hợp
đối với các công trình xây dựng trên sông vừa và nhỏ, những nơi thuận tiện cho việc
lấy đất và đắp đê quai. Trong điều kiện sông rộng và sâu, những nơi dân cư đông
đúc, điều kiện thi công chật hẹp thi công thép công nghệ truyền thống rất phức tạp
và tốn kém, do vậy sử dụng cọc ván thép làm đê quai là một giải pháp tối ưu.Cọc
ván thép được sử dụng làm khung vây để thi công các hạng mục công trình đã khẳng
định được tính ưu việt, giải quyết được các vấn đề về kỹ thuật mà phương pháp thi
công truyền thống không khắc phục được.
Trong những năm gần đây, Viện Khoa học Thủy lợi đã ứng dụng cọc ván thép
trong thi công cho một số công trình ngăn sông như đập Sông Cui - Long An, đập
Thảo Long - Thừa Thiên Huế, cống Đò Điểm - Hà Tĩnh. Cọc ván thép được đóng liền
nhau tạo thành vách đứng ngăn nước, giữ cho hố móng công trình được khô ráo trong
suốt quá trình thi công. Trong lĩnh vực xây dựng công trình ngăn sông, cọc ván thép
cũng được sử dụng với vai trò như đê quai trong công nghệ truyền thống. Khung vây
cọc ván thép giữ cho hố móng luôn khô ráo, tạo điều kiện cho việc thi công các hạng

mục công trình dưới lòng sông. Khung vây cọc ván thép phù hợp cho thi công các
công trình trên lòng sông sâu mực nước thường lớn hơn 3m, nền công trình có hệ số
thấm cao hoặc nơi có hiện tượng cát chảy.
1.2.3. Cấu tạo.
Cho đến nay cọc ván thép được sản xuất với nhiều hình dạng, kích thước
khác nhau với các đặc tính về khả năng chịu lực ngày càng được cải thiện. Ngoài
cọc ván thép có mặt cắt ngang dạng chữ U, Z thông thường còn có loại mặt cắt
Sinh viên: Vũ Thái Long

10

Lớp 50M-TBLĐ


Đồ án tốt nghiệp

Ngành : Kỹ thuật cơ khí

ngang Omega (W), dạng tấm phẳng (straight web) cho các kết cấu tường chắn tròn
khép kín, dạng hộp (box pile) được cấu thành bởi 2 cọc U hoặc 4 cọc Z hàn với
nhau.
Tùy theo mức độ tải trọng tác dụng mà tường chắn có thể chỉ dùng cọc ván
thép hoặc kết hợp sử dụng cọc ván thép với cọc ống thép (steel pipe pile) hoặc cọc
thép hình H (King pile) nhằm tăng khả năng chịu mômen uốn.
Về kích thước, cọc ván thép có bề rộng bản thay đổi từ 400mm đến 750mm.
Sử dụng cọc có bề rộng bản lớn thường đem lại hiệu quả kinh tế hơn so với cọc có
bề rộng bản nhỏ vì cần ít số lượng cọc hơn nếu tính trên cùng một độ dài tường
chắn. Hơn nữa, việc giảm số cọc sử dụng cũng có nghĩa là tiết kiệm thời gian và chi
phí cho khâu hạ cọc, đồng thời làm giảm lượng nước ngầm chảy qua các rãnh khóa
của cọc.

Chiều dài cọc ván thép có thể được chế tạo lên đến 30m tại xưởng, tuy nhiên
chiều dài thực tế của cọc thường được quyết định bởi điều kiện vận chuyển (thông
thường từ 9 đến 15m), riêng cọc dạng hộp gia công ngay tại công trường có thể lên
đến 72m.

Sinh viên: Vũ Thái Long

11

Lớp 50M-TBLĐ


Đồ án tốt nghiệp

Ngành : Kỹ thuật cơ khí

CHƯƠNG II: ĐÁNH GIÁ - PHÂN TÍCH VÀ LỰA CHỌN PHƯƠNG ÁN
2.1. Đánh Giá - Phân Tích.
Để đóng cọc có nhiều phương pháp nhưng hiện nay người ta hay sử dụng
phương pháp dùng lực xung kích của vật nặng rơi xuống để đóng cọc như búa rơi,
búa hơi, búa Điezel, búa thủy lực; dùng phương pháp rung động như búa rung, búa
rung thủy lực hoặc kết hợp giữa rung động và va đập (va rung). Nhưng trong thi
công cọc ván thép người ta hay dùng búa thủy lực, búa rung và búa rung thủy lực.
Búa rung để hạ cọc ván thép hay cọc cừ đã đạt được những hiệu quả kỹ
thuật và kinh tế bởi vì rung động làm giảm đáng kể lực cản sườn là lực cản chính
tác dụng lên cọc ván thép.
Thi công cọc ván thép larsen hiện nay phổ biến nhất là dùng búa rung (ngoài
ra còn có phương pháp thi công bằng máy đóng, hay robốt ép cừ larsen…).
Có 2 loại búa rung: Búa rung thuỷ lực gắn trên máy đào, và búa rung điện thi
công trên xe cẩu. Sau đây xét các loại búa sau:

2.1.1. Búa thủy lực.
Búa thủy lực làm việc dưới tác dụng của dòng chất lỏng công tác(gọi chung là
dầu), nâng bộ phận xung kích bằng chất lỏng có áp và để rơi tự do trên cọc. Có 2
loại búa đơn động và búa song động:
- Búa đơn động: Dùng chất lỏng có áp lực đưa búa lên cao, sau đó búa rơi
xuống nhờ trọng lượng bản thân. Trọng lượng búa từ 1,5 đến 8 tấn. Số nhát đóng
được trong một phút khoảng 25 đến 30 nhát. Cấu tạo búa đơn giản dễ sử dụng.
- Búa song động: Dùng chất lỏng đưa búa lên rồi sau đó lại dùng chất lỏng có
áp lực hạ búa xuống. Ưu điểm năng suất cao, mỗi phút đóng được từ 200 đến 300
nhát, làm việc tự động. Nhược điểm chính của búa này là trọng lượng chết lớn
chiếm 80% trọng lượng búa

Sinh viên: Vũ Thái Long

12

Lớp 50M-TBLĐ


Đồ án tốt nghiệp

Ngành : Kỹ thuật cơ khí

Hình 2.1 :Búa đóng cọc thuỷ lực.
1. Đế búa

7. Van một chiều

2. Thân búa

8. Không gian trên pittông

3. Đầu búa

9. Van phân phối

4. Cán pittông

I. ống vào

5. Không gian dưới pittông

II. ống ra

6. Pittông
Phạm vi sử dụng: Được sử dụng để đóng các loại cọc bê tông cốt thép, cọc ván
thép dài 8- 12m.
Ưu điểm: Búa thuỷ lực ít gây tiếng ồn và xung động, không gây ô nhiễm môi
trường như búa điêzen. Đóng được cọc trên nhiều loại nền đất, kể cả nền đất yếu.
Búa thuỷ lực dùng hợp lý trong trường hợp đóng cọc dưới nước có bệ móng nằm
trong đất ở sâu dưới mặt nước, như vậy khi đóng không phải dùng cọc đệm nối
Sinh viên: Vũ Thái Long

13

Lớp 50M-TBLĐ


Đồ án tốt nghiệp

Ngành : Kỹ thuật cơ khí

thêm, giảm bớt trọng lượng đóng, nâng cao năng suất và giảm thời gian thi công,
hoặc không phải cắt bớt cọc như khi dùng các loại búa khác như búa đơn, búa
điêzen vv... Ngoài ra, búa thuỷ lực còn có khả năng điều chỉnh năng lượng và số
lượng nhát búa trong một phút, rất cần khi đóng cọc dài và thanh mảnh. (thao tác
bằng các van điều chỉnh, nên có thể dùng thủ công hoặc theo chế độ điều khiển tự
động ).
Nhược điểm: chi phí đầu tư máy cao, việc sửa chữa máy khó khăn.
2.1.2. Búa rung điện.
Đầu búa rung treo trên đầu cọc, nhờ động cơ điện truyền chuyển động quay
cho các khối lệch tâm trên trục truyền động tạo ra lực rung động theeo phương
thẳng đứng và truyền xuống cọc cùng khối đất bám theo cọc, nhờ đó làm giảm lực
ma sát của nền tác dụng lên cọc. Dưới tác dụng của trọng lượng cọc và đầu búa
rung, cùng với lực dao động thẳng đứng thắng lực cản quanh cọc và lực cản đầu cọc
làm cọc chìm sâu vào nền, nhờ đó mà năng suất đóng cọc cao hơn 4-6 lần so với
búa Diezel. Có 3 loại phổ biến là:
a.Búa rung nối cứng:
Loại búa này có cấu tạo đơn giản: Bộ gây rung thường dùng các đĩa lệch tâm
lắp trên trục quay để gây ra lực rung động. Có thể điều chỉnh lực gây rung bằng
cách điều chỉnh lực gây rung bằng cách điều chỉnh vị trí của đĩa lệch tâm. loại búa
này có nhược điểm là bộ gây rung làm ảnh hưởng tuổi thọ của động cơ. Loại búa
này làm việc có tần số thấp: 300- 500 (lần/phút), đóng được cọc lớn: Cọc bê tông
cốt thép, cọc ống BTCT khối lượng đến 10t vào nền đất yếu. Khác với loại nối
mềm, ở đây động cơ điện được liên kết cứng bằng bu lông với vỏ hộp bộ gây rung.
Bộ này có bốn trục gây rung, vỏ hộp có kết cấu hàn. Các khối lệch tâm làm bằng
thép tấm và liên kết với trục bằng then và bu lông. Truyền động từ động cơ đến các
trục gây rung qua các bộ truyền . Phần đáy quả búa kết cấu mặt bích có thể lắp với
nhiều loại mũ cọc khác nhau.

Sinh viên: Vũ Thái Long

14

Lớp 50M-TBLĐ


Đồ án tốt nghiệp

Ngành : Kỹ thuật cơ khí

Hình 2.2. Búa rung nối cứng
1. Đĩa lệch tâm
2. Động cơ
3. Bộ truyền đai
4. Kẹp cọc
b.Búa rung nối mềm:
Sự khác giữa búa rung nối cứng và nối mềm là:Ở loại nối mềm động cơ được
nối với bộ gây rung qua lò xo. Vì thế trong quá trình làm việc động cơ ít bị ảnh
hưởng do bộ gây rung gây ra, tuổi thọ của động cơ được nâng cao, ở đây động cơ
điện được lắp trên bệ gia trọng, bệ này đặt trên hệ lò xo gắn với bộ gây rung được
cấu tạo là hộp truyền động, độ cứng của hệ lò xo được tính toán sao cho tần số dao
động riêng của bệ nhỏ hơn nhiều so với tốc độ quay của trục gây rung, điều này tạo
cho động cơ điện làm việc tốt hơn (do tần số dao động riêng nhỏ hơn so với điều
kiện gắn trực tiếp với bộ gây rung). Truyền động từ động cơ điện xuống hộp truyền
thông qua bộ truyền. Để có thể điều chỉnh được các đặc tính dao động của quả búa,
người ta thay đổi khối lượng của bệ và cấu tạo khối lệch tâm thành hai phần : Tĩnh
Sinh viên: Vũ Thái Long

15

Lớp 50M-TBLĐ


Đồ án tốt nghiệp

Ngành : Kỹ thuật cơ khí

và động để thay đổi khối lệch tâm. Khởi động quả búa từ bảng điều khiển có cấu tạo
giống như bảng điều khiển động cơ thông thường . Kiểu này có tần số rung động
cao n= 700- 1500 (lần/ ph).

Hình vẽ 2.3: Búa rung nối mềm
1. Đĩa lệch tâm

3. Bệ gia trọng

2. Lò xo

4. Động cơ

5. Bộ truyền đai

c.Búa va rung:
Quả búa làm việc theo nguyên lý hỗn hợp: vừa rung vừa va đập. Khác với quả
búa thông thường, khi làm việc bộ dẫn động ngoài chức năng tạo dao động của bộ
chuyển động của bộ gây rung còn gây xung lực va đập xuống đầu cọc trong trường
hợp khe hở giữa đầu búa và đe nhỏ hơn biên độ dao động riêng của bộ gây rung.
Sinh viên: Vũ Thái Long

16

Lớp 50M-TBLĐ


Đồ án tốt nghiệp

Ngành : Kỹ thuật cơ khí

Tần số va đập có thể bằng tần số quay của trục gây rung hoặc nhỏ hơn 2- 4 lần, ở
các trường hợp này người ta gọi quả búa làm việc ở chế độ i=1, i=2, i=3, i= 4.. điều
này có ý nghĩa quan trọng trong việc chế tạo quả búa và cho phép sử dụng động, bởi
vì nếu cùng công suất như nhau, năng lượng va đập của quả búa có tần số thấp hơn
sẽ lớn hơn ở quả búa có tần số cao. Ưu điểm cơ bản của búa va rung là khả năng tự
điều chỉnh, năng lượng va đập sẽ tự thay đổi tuỳ thuộc vào lực cản của nền khi đóng
cọc và điều này chứng tỏ tính hiệu quả khi sử dụng chúng.

Hình 2.4:Sơ đồ cấu tạo búa va rung
1. Động cơ
2. Khối lệch tâm
3,4. Bệ búa
5,6. Lò xo
7.Nấc điều chỉnh
Phạm vi sử dụng: Dùng để đóng các loại cọc, ván cừ với khối lượng lớn, hiệu
quả cao ở đất rời, cát, pha cát và bão hòa nước.
Ưu điểm: Năng suất cao hơn các loại búa khác 3-4 lần. Giá thành hạ 2-2,5 lần.
Không làm vỡ đầu cọc.Loại búa va rung còn có ưu điểm là khả năng tự điều chỉnh,
Sinh viên: Vũ Thái Long

17

Lớp 50M-TBLĐ


Đồ án tốt nghiệp

Ngành : Kỹ thuật cơ khí

năng lượng va đập sẽ tự thay đổi tùy thuộc vào lực cản của nền khi đóng cọc và
điều này chứng tỏ tính hiệu quả khi sử dụng chúng.
Nhược điểm: Cần phải có nguồn điện. Trong quá trình làm việc lực gây rung ảnh
hưởng đến các công trình bên cạnh.
2.2. Lựa chọn phương án:
Hiện nay hầu hết các công trình xây dựng thường xây dựng trên các nền đất yếu
đặc biệt các công trình thủy lợi, giao thông, công trình xây dựng dân dụng tại các
thành phố lớn. Do đó cần phải gia cố nền móng, tạo khung hố móng để thi công, các
công trình thủy lợi xây dựng trên vùng chứa nước nên đòi hỏi phải ép cọc ván thép
để bảo vệ hố móng, ngăn nước từ ngoài vào khi thi công. Vì vậy phải lựa chọn
phương pháp thi công móng cọc hợp, đạt hiệu quả kinh tế cao, thi công nhanh.
Lựa chọn búa phải dựa trên cơ sơ sau:
-Phạm vi sử dụng của búa, ưu nhược điểm và điều kiện trang thiết bị.
-Đặc điểm địa hình thi công, khối lượng và loại cọc.
-Đặc điểm địa chất của nền.
Như vậy búa rung ra đời sau các loại búa( búa treo, búa hơi,búa diezel…) và
đang được sử dụng rộng dãi để đóng cọc trên nền đất yếu. Với nguyên lý tác động
như trên, búa rung có thể đòng được gần như các loại nền với các loại ván cọc: ván
thép, cọc ống thép, cọc ống bê tông cốt thép và ống rỗng để tạo cọc cát( trên nền đất
yếu) mà búa diezel không làm được. Ngoài việc đóng dìm cọc, búa rung có thể
dùng để nhổ cọc ván thép, cọc ống thép. Búa rung nối mềm có tần số rung động
cao, động cơ đặt trên đế tách rời hộp gây rung, đế và hộp liên kết với nhau qua hệ lò

xo, truyền động từ động cơ đến trục gây rung qua bộ truyền mềm là xích hoạc đai.
Nhờ đó mà khi làm việc động cơ ít bị ảnh hưởng của bộ gây rung nên tuổi thọ của
động cơ được đảm bảo tốt hơn. Vì vậy sử dụng búa rung kiểu mềm để thi công cọc
ván thép sẽ đạt được hiệu quả kĩ thuật và kinh tế.

Sinh viên: Vũ Thái Long

18

Lớp 50M-TBLĐ


Đồ án tốt nghiệp

Ngành : Kỹ thuật cơ khí

CHƯƠNG III: TÍNH TOÁN THIẾT KẾ BÚA RUNG
Tốc độ quay của trục là: n = 960 (vòng/ phút).
⇒ω =

3.1.

π .n π .960
=
= 100,5(rad / s )
30
30

Tính toán lực cản của đất tác dụng lên cọc.
Ở đây búa cần đóng cọc ván thép Lasrsen IV chiều dài 12m có thông số như

sau:
Kích thước

Một cọc
Mô

Một mét ngang cọc vây
Khối
Mô
Chiều Chiều
Diện Mô men Khối Diện Mô
lượng
men
rộng
cao
Độ
tích men khán lượng tích men
đơn
kháng
hữu
hữu
dày mặt quán
g
đơn
mặt quán
vị
uốn
ích
ích

t(mm cắt tính uốn
vị
cắt tính
(kg/m
mặt
B(mm H(mm
)
(cm2 (cm4 mặt (kg/m (cm2 (cm4
)
cắt(cm3
)
)
)
)
cắt
)
)
)
)
(cm3)
467
386
190
400
170
15.5 96,9
362
76.1 242
2270
0

0

Các lực tác dụng lên cọc bao gồm trọng lượng của búa, lực gây rung P(t), lực
cản sườn cọc T và lực cản đầu mũi cọc R:

Sinh viên: Vũ Thái Long

19

Lớp 50M-TBLĐ


Đồ án tốt nghiệp

Ngành : Kỹ thuật cơ khí

Hình 3.1. Sơ đồ các lực tác dụng lên hệ búa ép cọc.
Trọng lượng G của búa và cọc; lực gây rung P(t) = P0 cosωt ; lực cản của nền
uur ur ur
Rc = R + T

3.1.1 Lực cản sườn cọc.
'
Lực cản sườn cọc được tính theo công thức : T = ∑τ i .hi

Trong đó: hi là chiều dày mỗi lớp đất khác nhau, cm;

τ i' là lực cản chống cắt đơn vị (kg/cm).
Tra bảng 3[1] ta được τ i' = 12kg/cm; chiều sâu đóng cọc là 1700cm.
'

Khi đó lực cản sườn cọc là: T = ∑τ i .hi = 12.1700 = 20400kg

3.1.2 Lực cản đầu cọc.
Lực cản đầu cọc được tính theo công thức: R = p0 .Fc
Trong đó: p0 là áp lực cần thiết của nền tác dụng lên đầu cọc ván thép, tra
(bảng- 2) [ 1] ta được p0 = 2 kg/cm2 đối với cọc ván thép;
Fc là tiết diện ngang của cọc với Fc = 96,99cm2.
Sinh viên: Vũ Thái Long

20

Lớp 50M-TBLĐ


Đồ án tốt nghiệp

Ngành : Kỹ thuật cơ khí

Khi đó ta tính được lực cản đầu cọc: R = 2.96,99 = 193,98 kg.
Tổng lực cản tác dụng lên cọc là: Rc = R + T = 20400 + 193,98 = 20593,98kg
3.2.

Tính toán và xác định các thông số cơ bản của búa rung.

3.2.1. Xác định lực rung động do búa tạo ra.
Để cọc có thể chìm vào nền một cách hiệu quả thì tổng các lực sinh ra trong
quá trình đóng cọc phải lớn hơn hoặc bằng tổng các lực cản trở quá trình đóng cọc:
Pdc ≥ K n .Rc

(3.1)

Với: Kn là hệ số cản của nền, xét đến ảnh hưởng đàn hồi của nền đối với từng
loại cọc, Kn = 1 đối với cọc ván thép;
Rc =20593,98 kg tổng lực cản của đất.
Thay vào (3.1) ta có: Pdc ≥ 1.20593,98 = 20593,98 kg
Mặt khác: Pdc = Gb + Gc + P ( t )
Trong đó: Gb là trọng lượng búa, chọn sơ bộ Gb = 1500.9,81 =14715N
Gc là trọng lượng cọc: Gc = 76,1.12.9,81 = 8958,49N
Lực gây rung : P(t ) ≥ 20593,98.9,81 − 14715 − 8958,5 = 178353, 4 N
3.2.2. Xác định bán kính lệch tâm r.

Hình 3.2. Bán kính lệch tâm
Sinh viên: Vũ Thái Long

21

Lớp 50M-TBLĐ


Đồ án tốt nghiệp

r = xc =

Ngành : Kỹ thuật cơ khí

Sy

(3.2)

F

S y = S yI − S yII − 2S yIII
2 3
I
Trong đó: S y = .R
3

2
S yII = .r13
3
S yIII =

b2h
2

π R 2 π r12
F=
−
− 2bh
2
2
Trong đó: R :bán kính quả lệch tâm chọn R=230mm
r1:bán kính trục cộng với bề dày tấm ghép quả lệch tâm;
b : bề dày tấm ghép quả lệch tâm ;
Chọn sơ bộ: Đường kính trục d= 120 mm.
Bề dày tấm ghép b= 8 mm.
⇒ r1 = 60+8=68 mm
⇒ h = R – r1 =230-68=162 mm

Thay vào (3.2) ta được: r =

2 / 3. ( R 3 − r13 ) − b 2h

π / 2. ( R 2 − r12 ) − 2bh

2
(2303 − 683 ) − 82.162
3
⇒r=
= 105.2(mm)
π
2
2
(230 − 68 ) − 2.8.162
2

Sinh viên: Vũ Thái Long

22

Lớp 50M-TBLĐ


Đồ án tốt nghiệp

Ngành : Kỹ thuật cơ khí

3.2.3. Xác định khối lượng quả lệch tâm.

Hình 3.3: lực gây rung

Lực gây rung của búa: P ( t ) = P1 + P2 = 2 P0 .sin ωt
Trong đó: P0 là biên độ lực gây rung thành phần: P0 = mrω 2 .
Với: m: khối lượng các quả lệch tâm mỗi bên (kg).
r: bán kính lệch tâm(m).

ω :vận tốc góc của quả lệch tâm(rad/s).
Mà P ( t ) ≥ 178353,4N
⇔ 2mrω 2 .sin ωt ≥ 178353, 4
⇔m≥

178353, 4
83,9
=
2
2.0,1052.100,5 .Sinωt Sinωt

mmin khi t =

T
khi đó sin ω t =1 ;
4

t =(0 ÷

T
)
4

Suy ra m ≥ 83,9
Giả sử búa bắt đầu đóng cọc khi quả lệch tâm quay 1 góc 26 o so với phương

ngang tương ứng với thời gian t= 0,0045s.
Sinh viên: Vũ Thái Long

23

Lớp 50M-TBLĐ


Đồ án tốt nghiệp

Ngành : Kỹ thuật cơ khí

Khi đó m ≥ 185,7kg.
Chọn m= 186 kg.
Thiết kế búa rung gồm 7 quả lệch tâm có khối lượng là:
Trục I lắp 3 quả lệch tâm khối lượng mỗi quả là:
m1 =

m 186
=
= 62kg
3
3

Trục II lắp 4 quả lệch tâm khối lượng mỗi quả là:
m2 =

m 186
=
= 46,5kg

4
4

3.2.4. Xác định chiều dày quả lệch tâm ( δ ).
Ta có m= γ .v
Trong đó γ =7250 ÷ 7875 (kg/m 3 ): Trọng lượng riêng của thép.
Chọn γ =7800 (kg/m 3 ).
π

v =  ( R 2 − r12 ) − 2.b.h  .δ : Thể tích quả lệch tâm.
2

π 2 2

Suy ra m =  ( R − r1 ) − 2.b.h  .δ .γ
2

⇒δ =

m
π 2 2

 2 ( R − r1 ) − 2.b.h  .γ

Chiều dày quả lệch tâm lắp trên trục I là: δ1 = 0,105m
Chiều dày quả lệch tâm lắp trên trục II là: δ 2 = 0, 078m

Sinh viên: Vũ Thái Long

24

Lớp 50M-TBLĐ


Đồ án tốt nghiệp

Ngành : Kỹ thuật cơ khí

105

78

Ø125 460

Ø115 460

Hình 3.4: kết cấu quả lệch tâm trục I và trục II
3.3.

Tính toán thiết kế các chi lắp trên búa rung.

3.3.1. Thiết kế bộ truyền đai.
Chọn động cơ điện loại DK 73- 4 có các thông số sau:
Tốc độ quay ndc = 1460v / p
Công suất Pdc = 28kw = 38, 08 Hp
Khối lượng động cơ mdc = 310kg
Suy ra tỷ số truyền của bộ truyền đai: u =

ndc 1460
=

= 1,52
nb
960

Tính công suất thiết kế: Ptk = k .Pdc = 1,3.38, 08 = 49,5 Hp
Trong đó k= 1,3 là hệ số chế độ làm việc theo bảng (7-1) [ 2]
Chọn mặt cắt đai: từ hình (7-9) [ 2] ứng với Ptk = 49,5Hp , tốc độ đầu vào bộ
truyền là n=1460 (v/p), ta chọn được loại đai cỡ 5v.
Tính kích thước bánh đai.
Chọn tốc độ đai Vb = 2000 ÷ 6500 ft / p nên ta chọn Vb = 3000 ft / p
Sinh viên: Vũ Thái Long

25

Lớp 50M-TBLĐ