Nghiên cứu xác định các thông số kỹ thuật hợp lý của búa rung hạ cọc ván thép vào nền đất nhiều lớp
Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (19.1 MB, 0 trang )
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI
--------------------------------
VŨ VĂN TRUNG
NGHIÊN CỨU XÁC ĐỊNH CÁC THÔNG SỐ
KỸ THUẬT HỢP LÝ CỦA BÚA RUNG HẠ CỌC
VÁN THÉP VÀO NỀN ĐẤT NHIỀU LỚP
LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT
HÀ NỘI - 2019
iii
MỤC LỤC
MỞ ĐẦU ............................................................................................................................. 1
CHƯƠNG 1. NGHIÊN CỨU TỔNG QUAN VỀ HỆ “BÚA RUNG - CỌC VÁN
THÉP - NỀN ĐẤT NHIỀU LỚP” .................................................................................... 5
1.1. NGHIÊN CỨU TỔNG QUAN VỀ HỆ “BÚA RUNG - CỌC VÁN THÉP NỀN ĐẤT NHIỀU LỚP”...................................................................................... 5
1.1.1. Giới thiệu về búa rung, cọc ván thép và nền đất nhiều lớp..................... 5
1.1.2. Các công trình nghiên cứu về quá trình thi công cọc bằng búa rung đã
được công bố ................................................................................................... 11
1.2. TỔNG QUAN VỀ PHƯƠNG PHÁP XÁC ĐỊNH CÁC THÀNH PHẦN
LỰC CẢN ĐỘNG CỦA NỀN ĐẤT TÁC DỤNG LÊN CỌC VÁN THÉP
TRONG QUÁ TRÌNH HẠ CỌC BẰNG BÚA RUNG ...................................... 24
1.2.1. Phân tích quá trình hạ cọc và cơ chế tương tác giữa đất với cọc trong
bài toán hạ cọc ván thép vào nền đất nhiều lớp bằng lực rung động .............. 24
1.2.2. Lựa chọn mô hình đất và phương trình toán xác định lực cản động của
các lớp đất lên cọc ván thép khi chịu tải trọng rung động .............................. 29
1.3. CƠ SỞ LÝ THUYẾT TỐI ƯU XÁC ĐỊNH THÔNG SỐ HỢP LÝ CỦA
BÚA RUNG TRONG QUÁ TRÌNH HẠ CỌC VÁN THÉP VÀO NỀN ĐẤT
NHIỀU LỚP ........................................................................................................ 33
1.3.1. Lý thuyết tối ưu trong thiết kế kỹ thuật ................................................ 33
1.3.2. Lựa chọn phương pháp xác định nghiệm tối ưu ................................... 35
1.4. XÂY DỰNG NỘI DUNG NGHIÊN CỨU ................................................. 39
KẾT LUẬN CHƯƠNG 1.................................................................................... 40
CHƯƠNG 2. NGHIÊN CỨU HỆ “BÚA RUNG - CỌC VÁN THÉP - NỀN ĐẤT
NHIỀU LỚP” ................................................................................................................... 42
2.1. XÂY DỰNG MÔ HÌNH TOÁN CHO HỆ “BÚA RUNG - CỌC VÁN
THÉP - NỀN ĐẤT NHIỀU LỚP” ...................................................................... 42
iv
2.1.1. Xác định các thông số của hệ “Búa rung - Cọc ván thép - Nền đất nhiều
lớp” .................................................................................................................. 42
2.1.2. Xây dựng mô hình toán cho hệ “Búa rung - Cọc ván thép - Nền đất
nhiều lớp” ........................................................................................................ 50
2.2. XÂY DỰNG SƠ ĐỒ THUẬT TOÁN VÀ CHƯƠNG TRÌNH TÍNH ....... 55
2.2.1. Xây dựng sơ đồ thuật toán .................................................................... 55
2.2.2. Xây dựng chương trình tính .................................................................. 56
2.3. BÀI TOÁN HẠ CỌC VÁN THÉP NSP-IIw BẰNG BÚA RUNG VHQTUTC70 VÀO NỀN ĐẤT NHIỀU LỚP TẠI CÔNG TRÌNH CẦU ĐỒNG
QUANG............................................................................................................... 57
2.3.1. Xác định các thông số đầu vào của bài toán ......................................... 57
2.3.2. Phân tích kết quả ................................................................................... 62
KẾT LUẬN CHƯƠNG 2.................................................................................... 69
CHƯƠNG 3. NGHIÊN CỨU XÁC ĐỊNH CÁC THÔNG SỐ KỸ THUẬT HỢP LÝ
CỦA BÚA RUNG KHI HẠ CỌC VÁN THÉP VÀO NỀN ĐẤT NHIỀU LỚP ......... 70
3.1. XÂY DỰNG PHƯƠNG PHÁP XÁC ĐỊNH CÁC THÔNG SỐ KỸ THUẬT
HỢP LÝ CỦA BÚA RUNG HẠ CỌC VÁN THÉP VÀO NỀN ĐẤT NHIỀU
LỚP ..................................................................................................................... 70
3.1.1. Xây dựng bài toán ................................................................................. 70
3.1.2. Xác định chi phí năng lượng của búa rung trong quá trình hạ cọc ván
thép vào nền đất nhiều lớp .............................................................................. 71
3.1.3. Xây dựng mô hình toán xác định các thông số hợp lý của búa rung .... 73
3.1.4. Xây dựng thuật toán và chương trình tính các thông số hợp lý ............ 75
3.2. XÁC ĐỊNH CÁC THÔNG SỐ KỸ THUẬT HỢP LÝ CỦA BÚA RUNG
VH-QTUTC70 KHI HẠ CỌC VÁN THÉP NSP-IIW VÀO CÁC LOẠI ĐẤT
TẠI TRỤ T2 VÀ T3 CẦU ĐỒNG QUANG ...................................................... 84
3.2.1. Bộ số liệu đầu vào ................................................................................. 84
v
3.2.2. Kết quả tính toán các thông số hợp lý ................................................... 84
KẾT LUẬN CHƯƠNG 3.................................................................................... 92
CHƯƠNG 4. NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM QUÁ TRÌNH HẠ CỌC VÁN THÉP
TẠI CÔNG TRÌNH THI CÔNG CẦU ĐỒNG QUANG (BA VÌ, HÀ NỘI) BẰNG
BÚA RUNG DO VIỆT NAM CHẾ TẠO ...................................................................... 93
4.1. MỤC ĐÍCH, ĐỐI TƯỢNG VÀ CÁC THÔNG SỐ NGHIÊN CỨU THỰC
NGHIỆM ............................................................................................................. 93
4.1.1. Mục đích nghiên cứu thực nghiệm........................................................ 93
4.1.2. Đối tượng nghiên cứu thực nghiệm ...................................................... 94
4.1.3. Xác định các thông số cần đo đạc thực nghiệm .................................... 95
4.2. CÔNG TÁC CHUẨN BỊ THỰC NGHIỆM ................................................ 96
4.2.1. Xây dựng mô hình thực nghiệm............................................................ 96
4.2.2. Xây dựng phương pháp đo .................................................................... 98
4.2.3. Quy trình thực nghiệm ........................................................................ 101
4.2.4. Công tác chuẩn bị thực nghiệm........................................................... 102
4.2.5. Hiệu chuẩn thiết bị đo ......................................................................... 105
4.3. CÔNG TÁC ĐO HIỆN TRƯỜNG ............................................................ 105
4.3.1. Trình tự thực hiện quá trình thực nghiệm tại công trường ................. 105
4.3.2. Tổ chức đo đạc thực nghiệm tại công trường ..................................... 107
4.4. XỬ LÝ SỐ LIỆU ....................................................................................... 109
4.4.1. Cơ sở lý thuyết xử lý số liệu ............................................................... 109
4.4.2. Xử lý kết quả đo .................................................................................. 112
4.5. PHÂN TÍCH KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM ............................................... 116
4.5.1. Kết quả tốc độ hạ cọc và độ dịch chuyển của cọc ván thép ................ 116
4.5.2. Kết quả gia tốc, vận tốc và chuyển vị của cọc ván thép và khung treo
búa rung ......................................................................................................... 121
vi
4.5.3. Kết quả lực cản của nền đất tác dụng lên cọc ..................................... 124
4.5.4. Kết quả tính toán hệ số hóa lỏng (đất cát) và hệ số chảy lỏng của đất
(đất sét) .......................................................................................................... 126
4.6. SO SÁNH ĐÁNH GIÁ GIỮA KẾT QUẢ LÝ THUYẾT VÀ KẾT QUẢ
THỰC NGHIỆM ............................................................................................... 129
KẾT LUẬN CHƯƠNG 4 .............................................................................................. 134
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ........................................................................... 136
1. KẾT LUẬN ................................................................................................... 136
2. KIẾN NGHỊ VÀ HƯỚNG NGHIÊN CỨU TIẾP THEO ............................ 137
DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ ................................................... 138
TÀI LIỆU THAM KHẢO............................................................................................. 139
vii
DANH MỤC KÝ HIỆU DÙNG TRONG LUẬN ÁN
Ký hiệu
Diễn giải
Đơn vị
At
Diện tích mũi cọc
m2
A
Diện tích mặt cắt ngang cọc ván thép
m2
Ac
Biên độ rung động của búa rung - cọc ván thép
m
a, ai
Gia tốc dao động của cọc
m/s2
Độ chênh gia tốc
m/s2
amin
Gia tốc tối thiểu để hạ được cọc
m/s2
a ci
Gia tốc hướng tâm của một bánh lệch tâm
m/s2
C
Lực dính kết của đất
cb
Vận tốc truyền sóng trong cọc ván thép
m/s
Ci
Chuỗi nhiễm sắc thể của thế hệ con thứ i
-
ae
CFW(z)
Hàm chi phí năng lượng (W) theo chiều sâu hạ cọc (z)
D
Hằng số đột biến
Dpl
Đường kính pulley đo độ dịch chuyển của cọc
kN/m2
kW/m
m
E
Mô đun đàn hồi của vật liệu chế tạo cọc ván thép
kN/m2
El
Mô đun đàn hồi của vật liệu làm lá điện trở
kN/m2
e0
Hệ số lỗ rỗng
f
Tần số lực rung động của búa rung
Hz
F0
Lực tĩnh tác dụng lên hệ hay tổng trọng lượng toàn búa rung
kN
Fd
Lực động lý thuyết do búa rung tạo ra
kN
Fs
Lực đàn hồi của hệ lò xo
kN
FR
Tỷ lệ sức kháng thu được từ kết quả thí nghiệm CPT
%
fs
Sức kháng thành đơn vị theo thí nghiệm CPT
g
Gia tốc trọng trường
kN/m2
m/s2
GF
Hê số lá điện trở
Gmax
Mô đun cắt biến dạng nhỏ của đất
kN/m2
Gs
Mô đun cắt của đất
kN/m2
gcvt
Trọng lượng một mét dài của cọc ván thép
kN/m
hk
Chiều dày lớp đất thứ k
m
hti
Chiều sâu cọc dịch chuyển vào lớp đất thứ i
m
k
Kích thước quần thể
-
KAR-1F
Hệ số thiết lập chế độ đo chuẩn của thiết bị và đầu đo
-
KAR-2F
Hệ số thiết lập chế độ đo chuẩn của thiết bị và đầu đo
-
viii
L, lcọc
Chiều dài cọc ván thép
m
l6
Chiều dài cọc ván thép từ mũi cọc đến mặt cắt 6-6
m
m
Số lượng bánh lệch tâm
-
mck
Số chu kỳ dẫn động búa rung trong khoảng thời gian t để hạ cọc đến
chiều sâu cho trước
-
mc
Khối lượng cọc ván thép
kg
md
Khối lượng phần động của hệ
kg
mei
Khối lượng của khối lêch tâm thứ i,
kg
m1
Khối lượng khung treo của búa
kg
m2
Khối lượng phần rung của búa (gồm cả má kẹp cọc)
kg
Me
Mô men lệch tâm
mtong
Tổng khối lượng của cả hệ
kg.m
kg
n
Số vòng quay của bánh lệch tâm trong một phút
Ip
Chỉ số dẻo của đất
%
Jcvt
Mô men quán tính cọc ván
m4
Ni
Nội lực của cọc ván thép tại mặt cắt i
kN
N6k
Nội lực tại mặt cắt 6-6 của cọc thí nghiệm tại lớp đất thứ k
kN
Pkt
Lực rung động do búa rung tạo ra
kN
Pkt0
Biên độ lực rung động do búa rung tạo ra
kN
Pi
Chuỗi nhiễm sắc thể bố mẹ thứ i
vòng/phút
-
Pqt1
Lực quán tính của khung treo
kN
Pqt2
Lực quán tính của thân búa - cọc ván thép
kN
Véc tơ các thông số thiết kế
-
pl
Véc tơ giới hạn dưới của các thông số thiết kế p
-
pu
Véc tơ giới hạn trên của các thông số thiết kế p
-
qc
Sức kháng mũi côn đơn vị theo thí nghiệm CPT
kN/m2
qd
Sức kháng động đơn vị tại mũi cọc
kN/m2
ql
Sức kháng hóa lỏng của đất tại mũi cọc
kN/m2
qs
Sức kháng tĩnh đơn vị tại mũi cọc
kN/m2
qdi
Sức kháng động mũi cọc đơn vị của lớp đất cát thứ i
kN/m2
qsi
Sức kháng tĩnh đơn vị tại mũi cọc của lớp đất thứ i
kN/m2
qli
Sức kháng hóa lỏng đơn vị tại mũi cọc của lớp đất thứ i
kN/m2
rei
Bán kính lệch tâm
m
R
Lực cản của nền đất tác dụng lên cọc
kN
r
Hệ số ngẫu nhiên chọn trong khoảng
-
p(…)
ix
Rt
R max
ti
R simax
Lực cản mũi cọc
Sức kháng động mũi cọc lớn nhất trong mỗi chu kỳ gia tải của lớp đất
thứ i
Sức kháng động thành cọc lớn nhất trong mỗi chu kỳ gia tải của lớp đất
thứ i
kN
kN
kN
R t_tinh_i Sức kháng tĩnh mũi cọc của lớp đất cát thứ i
kN
R s_tinh_i Sức kháng tĩnh thành cọc của lớp đất cát thứ i
kN
Rs
Lực cản thành cọc
kN
rei
Bán kính lệch tâm của bánh lệch tâm thứ i
m
Rf
Hệ số sức kháng (fs/qc*100) thu được từ kết quả thí nghiệm CPT
%
Rtk
Lực cản động mũi cọc của lớp đất thứ k
kN
Rsz
Lực cản động thành cọc tại chiều sâu z
kN
Rsz(k)
Lực cản thành động của lớp đất thứ k
kN
S
Độ cứng hệ lò xo
So
Biên độ dao động của hệ “búa rung - cọc”
m
Biên độ giới hạn nhỏ nhất của cọc để hạ được cọc vào nền đất
m
So
Su
Cường độ kháng cắt không thoát nước trung bình của đất
t
Thời gian tính
tn
Thời gian để sóng dao động đi từ đầu cọc đến mũi cọc và phản hồi trở
lại đầu cọc
kN.m/s
kN/m2
s
s
T
Chu kỳ lực rung động
s
Tc
Thời gian mũi cọc tiếp xúc với đất trong một chu kỳ
s
Ti
Thời gian của chu kỳ thứ i
s
v
Vận tốc dịch chuyển của cọc
m/s
vc
Vận tốc hạ cọc trung bình
m/s
Vận tốc hạ cọc trung bình của chu kỳ thứ i
m/s
vtb(Ti):
Vi
Điện áp thu được từ cụm đầu đo tại mặt cắt i
V
Vc
Điện áp thu được từ đầu đo gia tốc AR-2F
V
Vkh
Điện áp thu được từ đầu đo gia tốc AR-1F
V
Xbd
Hệ số thiết lập chế độ đo của thiết bị
-
XAR-2F
Hệ số hiệu chuẩn của đầu đo AR-2F
-
XAR-1F
Hệ số hiệu chuẩn của đầu đo AR-1F
-
X
Số xung mà đầu đo độ dịch chuyển của cọc đếm được
Y
Số xung mà đầu đo trục gây rung đếm được trong một giây
lần
lần/s
x
z
Chiều sâu dịch chuyển của đầu cọc vào đất
m
z1
Dịch chuyển của khung treo búa rung
m
z2
Dịch chuyển của thân búa và cọc ván thép
m
Độ dịch chuyển trung bình của cọc trong chu kỳ Ti
m
Chiều sâu hạ cọc cho trước
m
ztb(Ti)
zmax
z2
Vận tốc dịch chuyển của cọc
m/s
W
Tổng năng lượng chi phí để dẫn động búa rung
kW
Wt
Công suất đơn vị lý thuyết của búa rung
WTi
Chi phí năng lượng dẫn động búa trong chu kỳ thứ Ti
, i
Tỷ suất gia tốc, =a/g; i=ai/g
-
lg
Hệ số điều chỉnh phạm vi lai ghép
-
tn
Hệ số thực nghiệm
-
ac
Sai số thực nghiệm của gia tốc cọc ván thép
-
akh
Sai số thực nghiệm của gia tốc khung treo búa rung
-
AR-1F
Sai số của các đầu đo gia tốc AR-1F
-
AR-2F
Sai số của các đầu đo gia tốc AR-2F
-
TDS-302
Sai số của thiết bị đo TDS-302
-
ladientro
Sai số của các cụm đầu đo biến dạng
-
SDA380C
Sai số của thiết bị đo SDA380C
-
W
Lượng năng lượng tổn thất trong một chu kỳ
kN.m/s
kW
kW/CK
Vận tốc góc của trục lệch tâm
i
Ứng suất trong cọc ván thép tại mặt cắt i
kN/m2
6k
Ứng suất trong cọc ván thép tại mặt cắt 6-6 với lớp đất thứ k
kN/m2
1z
Ứng suất trong cọc ván thép tại mặt cắt 1-1 tại chiều sâu z
kN/m2
Ứng suất trong cọc ván thép tại mặt cắt 1-1 tại chiều sâu z(k)
kN/m2
1z(k)
rad/s
Hệ số điều chỉnh phạm vi lai ghép
Khối lượng thể tích tự nhiên của đất
Góc ma sát trong
t
Hệ số thực nghiệm
d
Sức kháng cắt động đơn vị tại thành cọc
kN/m2
l
Sức kháng hóa lỏng của đất dọc thành cọc
kN/m2
s
Sức kháng tĩnh của đất dọc thành cọc
kN/m2
di
Sức kháng động thành cọc đơn vị của lớp đất thứ i
kN/m2
kg/m3
độ
-
xi
si
Sức kháng tĩnh đơn vị thành cọc của lớp đất thứ i
kN/m2
li
Sức kháng hóa lỏng đơn vị tại thành cọc của lớp đất thứ i
kN/m2
Ứng suất cắt lớn nhất tương ứng với biến dạng lớn nhất của đất
kN/m2
max
Chu vi mặt cắt cọc ván thép
m
Hệ số hóa lỏng thực nghiệm
-
Hệ số chảy lỏng thực nghiệm
-
Hệ số hiệu quả sử dụng búa
-
o
Hệ số thực nghiệm, với cọc ván thép
-
Hiệu suất truyền động của hệ dẫn động bộ gây rung
-
ck
Hiệu suất truyền động cơ khí hệ dẫn động bộ gây rung
-
tl
Hiệu suất truyền động thủy lực hệ dẫn động bộ gây rung
-
i
Biến dạng tương đối tại mặt cắt i
-
[σ]
Véc tơ ứng suất
-
[D]
Ma trận độ cứng
-
[ε]
Véc tơ biến dạng
-
xii
DANH MỤC HÌNH VẼ, ẢNH DÙNG TRONG LUẬN ÁN
Danh mục các hình vẽ
Trang
Hình 1.1. Sơ đồ cấu tạo búa rung ........................................................................................ 5
Hình 1.2. Búa rung dẫn động thủy lực tích hợp trên máy đào một gầu .............................. 6
Hình 1.3. Búa rung lắp trên máy cơ sở có sử dụng giá dẫn hướng (kiểu treo cứng) .......... 7
Hình 1.4. Búa rung lắp trên cần trục cơ sở (kiểu treo tự do) ............................................... 7
Hình 1.5. Cọc ván thép dạng tấm ........................................................................................ 7
Hình 1.6. Cọc ván thép dạng chữ U .................................................................................... 7
Hình 1.7. Mặt cắt cọc ván thép NSP-IIw.............................................................................. 8
Hình 1.8. Cấu trúc địa chất điển hình của Hà Nội, [26] ...................................................... 9
Hình 1.9. Một số dạng cấu trúc địa chất điển hình của thành phố Huế [16] ..................... 10
Hình 1.10. Một số dạng cấu trúc địa chất điển hình của TP. Hồ Chí Minh ........................ 9
Hình 1.11. Mô hình truyền sóng Gardner (1987) .............................................................. 18
Hình 1.12. Tổng thể quá trình hạ cọc ván thép bằng búa rung ......................................... 24
Hình 1.13. Cơ chế hoạt động của hệ “Búa rung - Cọc ván thép - Đất nhiều lớp” ............ 25
Hình 1.14. Quan hệ ứng suất-biến dạng của đất dạng hyperbolic khi chịu tải lặp............ 26
Hình 1.15. Dịch chuyển tương đối giữa các hạt theo mức biến dạng cắt [40] .................. 28
Hình 1.16. Sơ đồ phân vùng ứng xử của đất xung quanh cọc ván thép khi hạ bằng lực
rung động, Denies (2010) .................................................................................................. 28
Hình 1.17. Sơ đồ mô tả dịch chuyển của cọc ván thép (a), lực cản động thành cọc (b) và
lực cản động mũi cọc (c). .................................................................................................. 30
Hình 1.18. Sự thay đổi sức kháng thành cọc (a) và sức kháng mũi cọc (b) theo chuyển vị
của cọc ............................................................................................................................... 32
Hình 1.19. Miền khả chấp của các thông số thiết kế ......................................................... 34
Hình 1.20. Cực trị tuyệt đối và cực trị ............................................................................... 35
Hình 1.21. Minh họa nguyên lý chung của phương pháp hướng đến cực trị .................... 37
Hình 1.22. Ảnh hưởng của điểm xuất phát đến tính cục bộ hay tuyệt đối của nghiệm đối
với bài toán tối ưu không lồi ............................................................................................. 38
Hình 1.23. Phương pháp Gauss - Seidel ............................................................................ 38
Hình 1.24 Phương pháp gradient ...................................................................................... 38
Hình 2.1. Bánh lệch tâm .................................................................................................... 43
Hình 2.2. Sơ đồ tính lực rung động của cơ cấu gây rung có hướng .................................. 43
Hình 2.3. Quy luật thay đổi của lực rung động và dạng chuyển vị của hệ........................ 43
xiii
Hình 2.4. Mô hình truyền song ứng suất trong cọc ván thép ............................................ 44
Hình 2.5. Mô hình tính toán lý thuyết hệ “Búa rung - Cọc ván thép - Đất nhiều lớp” ..... 52
Hình 2.6. Sơ đồ phân tích lực tác dụng lên các phần tử của mô hình tính ........................ 53
Hình 2.7. Sơ đồ khối chương trình tính bài toán hạ cọc ván thép bằng búa rung ............. 55
Hình 2.8. Sơ đồ chương trình con tính các thông số động lực học của hệ ........................ 55
Hình 2.9. Sơ đồ chương trình con tính lực cản động của các lớp đất lên cọc ván thép .... 56
Hình 2.10. Cấu tạo búa rung VH-QTUTC70 .................................................................... 57
Hình 2.11. Hình trụ hố khoan LKT2 ................................................................................. 58
Hình 2.12. Hình trụ hố khoan LKT3 ................................................................................. 58
Hình 2.13. Biểu đồ thành phần hạt của các loại cát .......................................................... 61
Hình 2.14. Độ dịch chuyển thực của cọc (trụ T2, f=30Hz) ............................................... 62
Hình 2.15. Gia tốc của cọc (trụ T2, f=30Hz) .................................................................... 63
Hình 2.16. Gia tốc rung của khung treo (trụ T2, f=30Hz) ................................................ 63
Hình 2.17. Vận tốc rung của cọc (trụ T2, f=30Hz) ........................................................... 63
Hình 2.18. Vận tốc rung của khung treo (trụ T2, f=30Hz)................................................ 63
Hình 2.19. Chuyển vị của cọc (trụ T2, f=30Hz)................................................................ 64
Hình 2.20. Chuyển vị của khung treo (trụ T2, f=30Hz) .................................................... 64
Hình 2.21. Lực cản động thành cọc (trụ T2, f=30Hz) ....................................................... 64
Hình 2.22. Lực cản động mũi cọc (trụ T2, f=30Hz) ........................................................ 65
Hình 2.23. Độ dịch chuyển của cọc (trụ T3, f=30Hz) ....................................................... 65
Hình 2.24. Gia tốc rung của cọc (trụ T3, f=30Hz) ............................................................ 66
Hình 2.25. Gia tốc rung của khung treo (trụ T3, f=30Hz) ................................................ 66
Hình 2.26. Vận tốc rung của cọc (trụ T3, f=30Hz) ........................................................... 66
Hình 2.27. Vận tốc rung của khung treo (trụ T3, f=30Hz)................................................ 66
Hình 2.28. Chuyển vị của cọc (trụ T3, f=30Hz)................................................................ 67
Hình 2.29. Chuyển vị của khung treo (trụ T3, f=30Hz) .................................................... 67
Hình 2.30. Lực cản động thành cọc (trụ T3, f=30Hz) ....................................................... 67
Hình 2.31. Lực cản động mũi cọc (trụ T3, f =30Hz) ........................................................ 67
Hình 3.1. Sơ đồ khối mô tả thuật toán di truyền ............................................................... 76
Hình 3.2. Sơ đồ thuật toán ứng dụng thuật toán di truyền để giải bài toán xác định các
thông số hợp lý của búa rung hạ cọc ván thép vào nền đất nhiều lớp ............................... 77
xiv
Hình 3.3. Đồ thị thể hiện quá trình tìm kiếm các thông số hợp lý của búa rung với lớp đất
cát hạt nhỏ màu xám đen, chặt vừa (trụ T2) ...................................................................... 85
Hình 3.4. Đồ thị thể hiện quá trình tìm kiếm các thông số hợp lý của búa rung với sét pha
màu xám nâu, trạng thái nửa cứng (trụ T2) ....................................................................... 86
Hình 3.5. Dịch chuyển của cọc (khi f=30, 32 và 35Hz) .................................................... 87
Hình 3.6. Gia tốc dịch chuyển của cọc (khi f=30, 32 và 35Hz) ........................................ 87
Hình 3.7. Gia tốc dịch chuyển của khung treo (khi f=30, 32 và 35Hz) ............................ 88
Hình 3.8. Vận tốc dịch chuyển của cọc (khi f=30, 32 và 35Hz) ....................................... 88
Hình 3.9. Vận tốc của khung treo (khi f=30, 32 và 35Hz) ................................................ 89
Hình 3.10. Chuyển vị của cọc (khi f=30, 32 và 35Hz)...................................................... 89
Hình 3.11. Chuyển vị của khung treo (khi f=30, 32 và 35Hz) .......................................... 90
Hình 3.12. Lực cản động thành cọc (khi f=30, 32 và 35Hz) ............................................. 90
Hình 3.13. Lực cản động thành cọc (khi f=30, 32 và 35Hz) ............................................. 91
Hình 4.1. Đặc tính làm việc của cần trục Liebherr HS833HD .......................................... 94
Hình 4.2. Đặc tính sức nâng tầm với của cần trục Liebherr HS833HD ............................ 94
Hình 4.3. Sơ đồ các thông số cần xác định trong quá trình thực nghiệm.......................... 95
Hình 4.4. Cấu tạo tổng thể hệ búa rung lắp trên cần trục cơ sở ........................................ 96
Hình 4.5. Sơ đồ mô tả quá trình tương tác giữa cọc ván thép và đất dưới tác dụng của lực
động do búa rung tạo ra ..................................................................................................... 97
Hình 4.6. Mô hình thực nghiệm quá trình hạ cọc ván thép bằng búa rung vào nền đất
nhiều lớp ............................................................................................................................ 98
Hình 4.7. Sơ đồ đấu lá điện trở (sơ đồ cầu đấu ½) ............................................................ 99
Hình 4.8. Sơ đồ bố trí đầu đo độ dịch chuyển của cọc .................................................... 100
Hình 4.9. Cọc thí nghiệm ................................................................................................ 100
Hình 4.10. Cấu tạo bộ phân gây rung của búa rung VH-QTUTC70 ............................... 100
Hình 4.11. Thiết bị đo số vòng quay trục gây rung DT-5TRX-RMTR .......................... 101
Hình 4.12. Sơ đồ bố trí thiết bị đo gia tốc ....................................................................... 101
Hình 4.13. Cấu tạo lá điện trở ......................................................................................... 102
Hình 4.14. Sơ đồ nguyên lý của thiết bị SDA830C ........................................................ 102
Hình 4.15. Đầu đo độ dịch chuyển của cọc ..................................................................... 103
Hình 4.16. Cụm đầu đo - pu ly ........................................................................................ 103
Hình 4.17. Đầu đo gia tốc AR-2F lắp trên cọc ván thép thử nghiệm .............................. 103
xv
Hình 4.18. Thiết bị đo gia tốc TDS-302 .......................................................................... 103
Hình 4.19. Sơ đồ cấu tạo cọc ván thép thử nghiệm ......................................................... 104
Hình 4.20. Phủ keo bảo vệ các lá điện trở sau khi dán vào cọc ván thép ....................... 104
Hình 4.21. Hàn tấm ốp bảo vệ đầu đo và dây tín hiệu .................................................... 104
Hình 4.22. Sơ đồ tổng thể quá trình thực nghiệm tại công trường .................................. 106
Hình 4.23. Sơ đồ đấu nối đầu đo và thiết bị đo ............................................................... 106
Hình 4.24. Hệ thống dây dẫn tín hiệu sau khi được kết nối với thiết bị đo SDA830C ... 107
Hình 4.25. Sơ đồ đấu nối thiết bị đo biến dạng SDA380C ............................................. 107
Hình 4.26. Đầu đo gia tốc cọc ván thép .......................................................................... 108
Hình 4.27. Đầu đo gia tốc khung treo búa rung .............................................................. 108
Hình 4.28. Sơ đồ đấu nối thiết bị TDS-302 ..................................................................... 108
Hình 4.29. Lắp đầu đo số vòng quay trên trục 1 của búa rung........................................ 108
Hình 4.30. Bộ đầu đo HE40B-6-1024-3-T-24 được gắn trên trục pulley đo độ dịch
chuyển .............................................................................................................................. 109
Hình 4.31. Sơ đồ bố trí các mặt cắt đo biến dạng trên cọc ván thép thử nghiệm............ 112
Hình 4.32. Tốc độ hạ cọc ván thép theo chiều sâu hạ cọc (lần 1, trụ T2) ....................... 117
Hình 4.33. Tốc độ hạ cọc ván thép theo chiều sâu hạ cọc (lần 2, trụ T2) ....................... 117
Hình 4.34. Tốc độ hạ cọc ván thép theo chiều sâu hạ cọc (lần 3, trụ T2) ....................... 117
Hình 4.35. Tốc độ hạ cọc ván thép theo chiều sâu hạ cọc (lần 4, trụ T3) ....................... 117
Hình 4.36. Tốc độ hạ cọc ván thép theo chiều sâu hạ cọc (lần 5, trụ T3) ....................... 117
Hình 4.37. Dịch chuyển của cọc ván thép tại chiều sâu hạ cọc z =250 đến 280 mm (lần 1,
f=15 Hz, trụ T2) ............................................................................................................... 117
Hình 4.38. Dịch chuyển của cọc ván thép tại chiều sâu hạ cọc z =11,970 đến 11,989m
(lần 1, f=15 Hz, trụ T2) ................................................................................................... 118
Hình 4.39. Dịch chuyển của cọc ván thép tại chiều sâu hạ cọc z =250 đến 280 mm (lần 1,
f=20 Hz, trụ T2) ............................................................................................................... 118
Hình 4.40. Dịch chuyển của cọc ván thép tại chiều sâu hạ cọc z =250 đến 280 mm (lần 1,
f=25 Hz, trụ T2) ............................................................................................................... 118
Hình 4.41. Dịch chuyển của cọc ván thép tại chiều sâu hạ cọc z =11,820 đến 11,850m
(lần 1, f=25 Hz, trụ T2) ................................................................................................... 118
Hình 4.42. Dịch chuyển của cọc ván thép tại chiều sâu hạ cọc z =250 đến 280 mm (lần 1,
f=30 Hz, trụ T2) ............................................................................................................... 118
xvi
Hình 4.43. Dịch chuyển của cọc ván thép tại chiều sâu hạ cọc z =11,870 đến 11,900m
(lần 1, f=30 Hz, trụ T2) ................................................................................................... 118
Hình 4.44. Dịch chuyển của cọc ván thép tại chiêu sâu hạ cọc z =250 đến 280 mm (lần 1,
f=35 Hz, trụ T2) ............................................................................................................... 118
Hình 4.45. Dịch chuyển của cọc ván thép tại chiêu sâu hạ cọc z =10,980 đến 10,990m
(lần 1, f=35 Hz, trụ T2) ................................................................................................... 118
Hình 4.46. Quan hệ giữa tốc độ hạ cọc và lực kích thích với tần số của búa rung ......... 120
Hình 4.47. Lực cản động mũi cọc theo thời gian (f=15 Hz, trụ T2) ............................... 125
Hình 4.48. Lực cản động mũi từ 1 đến 2s ....................................................................... 125
(f=15 Hz, trụ T2) ............................................................................................................. 125
Hình 4.49. Lực động cản mũi từ 129 đến 130s ............................................................... 125
(f=15 Hz, trụ T2) ............................................................................................................. 125
Hình 4.50. Lực cản động thành cọc theo thời gian (f=15 Hz, trụ T2) ............................. 125
Hình 4.51. Lực cản động thành cọc từ 129 đến 130s (f=15 Hz, trụ T2) ......................... 125
Hình 4.52. Lực cản động mũi cọc theo thời gian (f=35 Hz, trụ T2) ............................... 125
Hình 4.53. Lực cản động mũi từ 1 đến 2s ....................................................................... 125
(f=35 Hz, trụ T2) ............................................................................................................. 125
Hình 4.54. Lực cản động mũi từ 80 đến 81s ................................................................... 125
(f=35 Hz, trụ T2) ............................................................................................................. 125
Hình 4.55. Lực cản động thành cọc theo thời gian (f=35 Hz, trụ T2) ............................. 125
Hình 4.56. Lực cản động thành cọc từ 1 đến 2s (f=35 Hz, trụ T2) ................................. 125
Hình 4.57. Lực cản động thành cọc từ 80 đến 81s (f=35 Hz, trụ T2) ............................. 125
Hình 4.58. Dịch chuyển của cọc theo thời gian (trụ T2, f=30Hz) ................................... 129
Hình 4.59. Gia tốc dao động của cọc (trụ T2, f=30Hz) ................................................... 130
Hình 4.60. Gia tốc dao động của khung treo (trụ T2, f=30Hz) ....................................... 130
Hình 4.61. Vận tốc dao động của cọc (trụ T2, f=30Hz) .................................................. 130
Hình 4.62. Vận tốc dao động của khung treo (trụ T2, f=30Hz) ...................................... 131
Hình 4.63. Chuyển vị của cọc (trụ T2, f=30Hz).............................................................. 131
Hình 4.64. Chuyển vị của khung treo (trụ T2, f=30Hz) .................................................. 131
Hình 4.65. Lực cản động thành cọc (trụ T2, f=30Hz) ..................................................... 132
Hình 4.66 Lực cản động mũi cọc (trụ T2, f=30Hz) ....................................................... 132
xvii
DANH MỤC CÁC BẢNG DÙNG TRONG LUẬN ÁN
Danh mục các bảng
Trang
Bảng 1.1. Phân loại búa rung theo tần số và mô men lệch tâm........................................... 6
Bảng 1.2. Bảng tổng hợp các công trình nghiên cứu trong nước về quá trình hạ cọc bằng
búa rung đã công bố. ......................................................... Error! Bookmark not defined.
Bảng 1.3. Bảng tổng hợp các công trình nghiên cứu ngoài nước về quá trình hạ cọc bằng
búa rung theo phương pháp tích phân. .............................. Error! Bookmark not defined.
Bảng 2.1. Giá trị biên độ rung của hệ “búa rung - cọc” theo Rodger và Littlejohn (1980)
........................................................................................................................................... 44
Bảng 2.2. Các thông số đầu vào của búa rung VH-QTUTC70 ......................................... 57
Bảng 2.3. Các thông số đầu vào của cọc ván thép NSP-IIw .............................................. 58
Bảng 2.4. Loại đất tại trụ T2 và T3 cầu Đồng Quang ....................................................... 61
Bảng 2.5. Giá trị các hệ số thực nghiệm đưa vào tính toán ............................................... 62
Bảng 3.1. Các thông số kỹ thuật của búa rung .................................................................. 70
Bảng 3.2. Các tùy chọn để thực hiện quá trình tính trong thuật toán di truyền ................ 81
Bảng 3.3. Thông số đầu vào để xác định các thông số hợp lý của búa rung VH-QTUTC70
........................................................................................................................................... 84
Bảng 3.4. Các thông số kỹ thuật hợp lý của búa rung ....................................................... 84
Bảng 3.5. Kết quả tần số rung (f) và khối lượng khung treo (m1) hợp lý của búa rung.... 92
Bảng 4. 1. Thông số chính của cần trục Liebherr HS833HD [51] .................................... 94
Bảng 4.2. Kết quả thô đo biến dạng (ứng suất) tại các mặt cắt trên cọc ván thép (lần 1, trụ
T2, tần số f = 15 Hz) ........................................................................................................ 112
Bảng 4.3. Kết quả ứng suất tại các mặt và tổng lực cản của nền đất lên cọc ván thép(lần 1,
trụ T2, tần số f = 15 Hz) .................................................................................................. 113
Bảng 4.4. Kết quả ứng suất tại các mặt cắt và tổng lực cản của nền đất lên cọc ván thép
(lần 1, trụ T2, tần số f = 20 Hz) ....................................................................................... 113
Bảng 4.5. Kết quả ứng suất tại các mặt cắt và tổng lực cản của nền đất lên cọc ván thép
(lần 1, trụ T2, tần số f = 25 Hz) ....................................................................................... 113
Bảng 4.6. Kết quả ứng suất tại các mặt cắt và tổng lực cản của nền đất lên cọc ván thép
(lần 1, trụ T2, tần số f = 30 Hz) ....................................................................................... 113
Bảng 4.7. Kết quả ứng suất tại các mặt cắt và tổng lực cản của nền đất lên cọc ván thép
(lần 1, trụ T2, tần số f = 35 Hz) ....................................................................................... 113
xviii
Bảng 4.8. Kết quả thô đo gia tốc, vận tốc, chuyển vị của hệ (lần 1, trụ T2, tần số f=15 Hz)
......................................................................................................................................... 114
Bảng 4.9. Kết quả gia tốc, vận tốc, chuyển vị của hệ (lần 1, trụ T2, tần số f = 15 Hz) .. 114
Bảng 4.10. Kết quả gia tốc, vận tốc, chuyển vị của hệ (lần 1, trụ T2, tần số f = 20 Hz) 114
Bảng 4.11. Kết quả gia tốc, vận tốc, chuyển vị của hệ (lần 1, trụ T2, tần số f = 25 Hz) 114
Bảng 4.12. Kết quả gia tốc, vận tốc, chuyển vị hệ (lần 1, trụ T2, tần số f = 30 Hz) ....... 114
Bảng 4.13. Kết quả gia tốc, vận tốc, chuyển vị của hệ (lần 1, trụ T2, tần số f = 35 Hz) 115
Bảng 4.14. Kết quả đo độ dịch chuyển của cọc (lần 1, trụ T2, tần số f = 15 Hz) .......... 115
Bảng 4.15. Kết quả đo độ dịch chuyển của cọc (lần 1, trụ T2, tần số f = 20 Hz) .......... 115
Bảng 4.16. Kết quả đo độ dịch chuyển của cọc (lần 1, trụ T2, tần số f = 25 Hz) .......... 115
Bảng 4.17. Kết quả đo độ dịch chuyển của cọc (lần 1, trụ T2, tần số f = 30 Hz) .......... 115
Bảng 4.18. Kết quả đo độ dịch chuyển của cọc (lần 1, trụ T2, tần số f = 35 Hz) .......... 115
Bảng 4.19. Tổng hợp tốc độ hạ cọc qua các lớp đất tại trụ T2 ........................................ 116
Bảng 4.20. Tổng hợp tốc độ hạ cọc qua các lớp đất tại trụ T3 ........................................ 116
Bảng 4.21. Tổng hợp vận tốc hạ cọc thực nghiệm theo tần số lực rung động và lớp đất 119
Bảng 4.22. Tổng hợp các thông số động lực học của hệ theo tần số lực rung động ....... 124
Bảng 4.23. Bảng tổng hợp hệ số hóa lỏng và hệ số chảy lỏng trung bình theo tần số của
các loại đất tại trụ T2 ....................................................................................................... 128
Bảng 4.24. Bảng tổng hợp hệ số hóa lỏng và hệ số chảy lỏng trung bình theo tần số của
các loại đất tại trụ T3 ....................................................................................................... 128
Bảng 4.25. Sai số giữa độ dịch chuyển lý thuyết và thực nghiệm .................................. 133
Bảng 4.26. Sai số giữa gia tốc dao động lý thuyết và thực nghiệm ................................ 133
Bảng 4.27. Sai số giữa vận tốc dao động lý thuyết và thực nghiệm ............................... 133
Bảng 4.28. Sai số giữa chuyển vị lý thuyết và thực nghiệm ........................................... 133
Bảng 4.29. Sai số giữa lực cán động thành cọc lý thuyết và thực nghiệm ...................... 134
Bảng 4.30. Sai số giữa lực cản động mũi cọc lý thuyết và thực nghiệm ........................ 134
1
MỞ ĐẦU
1. Tính cấp thiết của đề tài
Cùng với sự phát triển kinh tế xã hội, nhu cầu đầu tư xây dựng cơ sở hạ tầng
(trong đó có hạ tầng giao thông vận tải) ngày càng lớn, kéo theo nhu cầu sử dụng thiết bị
thi công ngày càng tăng, trong đó có công tác sử dụng các loại búa rung để hạ cọc thép
(như cọc ván thép, cọc ống thép…) vào nền đất, đây là biện pháp thi công phổ biến nhất
trong quá trình thi công kết cấu móng công trình [47]. Ở nước ta, búa rung đã được sử
dụng từ lâu [10], nhưng phần lớn các loại búa rung này đều là các loại búa rung nhập
ngoại. Đến này chưa có một tác giả hay một công trình nào quan tâm nghiên cứu xây
dựng cơ sở khoa học đầy đủ và chuyên sâu cho việc tính toán thiết kế, cũng như tính toán
lựa chọn búa rung khi thi công trong điều kiện địa chất tại Việt Nam, với đặc điểm cấu
trúc địa chất nhiều lớp điển hình, có tính chất cơ lý khác nhau và nằm đan xen với chiều
dày khác nhau, nên trong tính toán, việc coi đất có cấu trúc 1 lớp đồng nhất là hoàn toàn
không phù hợp với điều kiện làm việc thực tế, điều đó đã lý giải nguyên nhân tại sao rất
nhiều sự cố kỹ thuật đã xảy ra trong quá trình sử dụng búa rung khi thi công những năm
vừa qua [19].
Từ thực trạng trên cho thấy, việc nghiên cứu tính toán quá trình hạ cọc ván thép vào
nền đất nhiều lớp bằng búa rung trên cơ sở phân tích phi tuyến quá trình tương tác giữa
các lớp đất với cọc ván thép trong quá trình làm việc là một vấn đề cấp thiết, có ý nghĩa
khoa học và thực tiễn cao nhưng đến này chưa có tác giả nào quan tâm nghiên cứu, đặc
biệt là bài toán xác định các thông số kỹ thuật hợp lý của búa rung trên quan điểm nghiên
cứu hệ "Búa rung - Cọc ván thép - Nền đất nhiều lớp" nhằm tạo cơ sở khoa học cho việc
tính toán thiết kế hoặc nâng cao hiệu qua khai thác sử dụng búa rung trong thi công.
2. Mục tiêu nghiên cứu
Nghiên cứu xây dựng phương pháp xác định các thông số kỹ thuật hợp lý của búa
rung để hạ cọc ván thép vào nền đất nhiều lớp và ứng dụng nghiên cứu cho trường hợp cụ
thể để xác định các thông số hợp lý của búa rung VH-QTUTC70 hạ cọc ván thép loại
NSP-IIw vào nền đất nhiều lớp tại công trình cầu Đồng Quang, Ba Vì, Hà Nội.
3. Đối tượng nghiên cứu
- Búa rung loại treo tự do: Luận án chọn búa rung kiểu treo tự do trên cần trục cơ sở, có
tần số rung trong khoảng từ 15 đến 40 Hz làm đối tượng nghiên cứu, đây là loại búa rung
có tần số rung được sử dụng rất phổ biến trong thi công hiện nay, cho nên kết quả nghiên
2
cứu sẽ có tính ứng dụng và phù hợp thực tế. Đối tượng nghiên cứu cho trường hợp cụ thể
là búa rung dẫn động thủy lực VH-QTUTC70, được chế tạo trong nước, có tần số rung từ
15 đến 36,62 Hz và phù hợp với xu hướng sử dụng búa rung dẫn động thủy lực thay thế
cho búa rung điện trong những năm gần đây.
- Cọc ván thép mặt cắt chữ U: Đây là cọc ván thép loại thông dụng và hiện đang được sử
dụng nhiều trong thi công ở Việt Nam, đồng thời cấu tạo của loại cọc ván thép này cũng
phù hợp cho nghiên cứu lý thuyết và nghiên cứu thực nghiệm. Trong trường hợp cụ thể,
luận án lựa chọn cọc ván thép mặt cắt chữ U có số hiệu NSP-IIw chế tạo tại Việt Nam
(theo tiêu chuẩn của Nhật Bản) là đối tượng nghiên cứu sẽ thể hiện được tính chất đại
diện điển hình của đối tượng nghiên cứu.
- Nền đất nhiều lớp: Đến nay chưa có công trình nào quan tâm đến việc nghiên cứu quá
trình hạ cọc ván thép bằng búa rung vào nền đất nhiều lớp, mỗi lớp đất được đặc trưng
bởi các chỉ tiêu cơ lý và chiều dày khác nhau, có quan tâm đến việc tính toán các thành
phần lực cản động của các lớp đất này lên cọc ván thép dựa trên cơ chế tương tác giữa
các lớp đất đó với cọc ván thép dưới tác dụng của lực rung động do búa rung tạo ra. Luận
án sử dụng các thông số địa chất tại công trình cầu Đồng Quang để tính toán cho trường
hợp cụ thể vì địa chất tại đây có cấu trục địa chất nhiều lớp (gồm các lớp đất cát và đất
sét, đây là các loại đất điển hình cho các loại đất ở nước ta) được phân lớp rõ ràng nên
phù hợp cho mục đích nghiên cứu của luận án.
4. Phương pháp nghiên cứu
- Phương pháp thống kế, phân tích tổng hợp để xây dựng các mục tiêu, nhiệm vụ
và mô hình tính toán của luận án.
- Phương pháp toán học để xây dựng bài toán xác định các thông số hợp lý.
- Phương pháp số để lập trình các chương trình tính.
- Phương pháp thực nghiệm để xác định các hệ số thực nghiệm.
5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài Luận án
- Nghiên cứu thiết lập phương pháp và chương trình tính bài toán hạ cọc ván thép
bằng búa rung vào nền đất nhiều lớp không chỉ phục vụ cho riêng cọc ván thép mà còn là
cơ sở ứng dụng cho quá trình hạ các loại cọc khác như cọc ống thép, cọc bê tông… bằng
lực rung động vào nền đất nhiều lớp. Đồng thời có thể ứng dụng chương trình tính này
phục vụ cho việc tính toán, thiết kế hợp lý đối với các loại búa rung chế tạo trong nước.
3
- Nghiên cứu ứng dụng thuật toán di truyền và xây dựng chương trình tính trên
máy tính để xác định các thông số kỹ thuật hợp lý của búa rung trong bài toán hạ cọc ván
thép vào nền đất nhiều lớp, các thông số này có thể sử dụng được trong tính toán thiết kế
hoặc lựa chọn, khai thác sử dụng búa rung trong quá trình thi công.
- Quá trình nghiên cứu thực nghiệm với quy trình thực nghiệm hợp lý và thiết bị
đo hiện đại tạo cơ sở cho việc xây dựng phương pháp thực nghiệm trên các loại máy xây
dựng khác.
- Nghiên cứu thực nghiệm đã xác định được các thành phần lực cản động thực tế
của nền đất tác dụng lên cọc ván thép dưới tác dụng của tải trọng rung động, từ đó xác
định được các hệ số hóa lỏng và hệ số chảy lỏng động của một số loại đất tại công trình
cầu Đồng Quang (Ba Vì, Hà Nội) [5], [23], có thể sử dụng kết quả này để tính toán thiết
kế và khai thác sử dụng búa rung trong thực tế thi công.
6. Tính mới của luận án:
- Đã nghiên cứu động lực học hệ “Búa rung - Cọc ván thép - nền đất nhiều lớp”,
bao gồm việc xây dựng mô hình toán cho bài toán hạ cọc ván thép vào nền đất nhiều lớp
bằng búa rung có quan tâm đến cơ chế tương tác giữa các lớp đất với cọc ván thép dưới
tác dụng của lực rung động, xây dựng sơ đồ thuật toán và chương trình tính toán.
- Đã nghiên cứu phương pháp xác định các thông số hợp lý của búa rung khi hạ
cọc ván thép vào nền đất nhiều lớp, bao gồm xây dựng hàm mục tiêu, sơ đồ thuật toán và
chương trình tính toán. Áp dụng chương trính tính toán cho trường hợp cụ thể, xác định
các thông số hợp lý của búa rung VH-QTUTC70 sử dụng để hạ cọc ván thép NSP-IIw
trong điều kiện địa chất nhiều lớp tại công trình cầu Đồng Quang (Ba Vì, Hà Nội).
- Bằng phương pháp nghiên cứu thực nghiệm đã xác định được các giá trị hệ số
hóa lỏng và hệ số chảy lỏng của các loại đất tại trụ T2 và T3 công trình cầu Đồng Quang
(Ba Vì, Hà Nội).
7. Bố cục của luận án: Luận án được bố cục theo các nội dung sau
Mở đầu
Chương 1. Nghiên cứu tổng quan về hệ “Búa rung - Cọc ván thép - Nền đất Nhiều
lớp”
Trình bày các kiến giải chung về hệ “Búa rung - Cọc ván thép - Nền đất nhiều
lớp”, thống kê và phân tích các công trình nghiên cứu đã được công bố trong lĩnh vực thi
công cọc bằng búa rung trong và ngoài nước. Phân tích các công trình nghiên cứu đã
4
công bố về việc xác định các thành phần lực cản động của đất trong bài tán hạ cọc ván
thép bằng lực rung động để từ đó lựa chọn các mô hình đất phù hợp cho các loại đất trong
bài toán hạ cọc ván thép vào nền đất nhiều lớp bằng búa rung. Đồng thời phân tích và lựa
chọn lý thuyết xác định các thông số hợp lý của búa rung trong quá trình hạ cọc ván thép
vào nền đất nhiều lớp. Thông qua việc phân tích các kết quả đã đạt được và những tồn tại
chưa được giải quyết của các công trình đã công bố trong và ngoài nước, luận án đưa ra
tính cấp thiết của đề tài và xây dựng các nội dung nghiên cứu của luận án.
Chương 2. Nghiên cứu hệ “Búa rung - Cọc ván thép - Nền đất nhiều lớp”
Phân tích các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình hạ cọc bằng búa rung, xác định các
thông số của hệ cần xác định, từ đó tiến hành xây dựng mô hình tính, lựa chọn mô hình
toán xác định các thành phần lực cản động của các lớp đất lên cọc ván thép, xây dựng và
đánh giá độ tin cậy chương trình tính đã xây dựng được, ứng dụng tính cho trường hợp cụ
thể hạ cọc ván thép NSP-IIw bằng búa rung VH-QTUTC70 vào nền đất nhiều lớp tại trụ
T2,T3 công trình cầu Đồng Quang (Ba Vì, Hà Nội).
Chương 3. Nghiên cứu xác định các thông số kỹ thuật hợp lý của búa rung khi hạ
cọc ván thép vào nền đất nhiều lớp
Xây dựng phương pháp và chương trình tính toán xác định các thông số kỹ thuật
hợp lý của búa rung trong hệ “Búa rung - Cọc ván thép - Nền đất nhiều lớp”, áp dụng tính
toán cho trường hợp cụ thể, xác định các thông số kỹ thuật hợp lý của búa rung VHQTUTC70 do Việt Nam chế tạo để hạ cọc ván thép NSP-IIw vào nền đất nhiều lớp tại
công trình cầu Đồng Quang (Ba Vì, Hà Nội), từ đó đưa ra một số kiến nghị, giải pháp để
tối ưu quá trình hạ cọc ván thép bằng búa rung.
Chương 4. Nghiên cứu thực nghiệm quá trình hạ cọc ván thép tại công trình thi
công cầu Đồng Quang (Ba Vì, Hà Nội) bằng búa rung do Việt Nam chế tạo
Nghiên cứu thực nghiệm nhằm xác định các thành phần lực cản động của các loại
đất tác dụng lên cọc ván thép khi hạ bằng búa rung, qua đó xác định các hệ số thực
nghiệm (hệ số hóa lỏng và hệ số chảy lỏng của các loại đất) để xác định các thành phần
lực cản động trong lý thuyết tính toán ở Chương 2 và Chương 3.
Kết luận và Kiến nghị: Trình bày các kết luận chính, các đóng góp và kết quả mới của
luận án và hướng nghiên cứu tiếp theo.
Tài liệu tham khảo
Các phụ lục
5
CHƯƠNG 1. NGHIÊN CỨU TỔNG QUAN VỀ HỆ “BÚA RUNG - CỌC VÁN
THÉP - NỀN ĐẤT NHIỀU LỚP”
1.1. NGHIÊN CỨU TỔNG QUAN VỀ HỆ “BÚA RUNG - CỌC VÁN THÉP - NỀN ĐẤT NHIỀU
LỚP”
1.1.1. Giới thiệu về búa rung, cọc ván thép và nền đất nhiều lớp
1.1.1.1. Búa rung
Trong những năm gần đây, búa rung được sử dụng phổ biến để hạ các loại cọc ống
thép, cọc ván thép... trong thi công; có nhiều cách phân loại khác nhau nhưng theo cấu
tạo, búa rung được gồm 2 loại như búa rung thuần túy (hình 1.1a, hình 1.1b) và búa va
rung (hình 1.1c) [3], [72]. Khi làm việc, lực rung động do búa rung tạo ra truyền cho cọc
và vùng đất xung quanh cọc dưới dạng các sóng dao động, các sóng dao động này một
phần sẽ làm giảm lực cản của đất lên cọc, phần còn lại sẽ tạo ra lực ấn làm cọc đi xuống.
1
2
1
7
2
1
8
2
3
7
3
8
4
9
3
4
10
4
11
a)
5
5
6
6
b)
5
6
c)
Hình 1.1. Sơ đồ cấu tạo búa rung
a. Búa rung kiểu cứng; b. Búa rung kiểu mềm: c. Búa va-rung
1. Động cơ ;2. Bộ truyền động; 3. Thân búa (bộ gây rung); 4. Bánh lệch tâm; 5. Thiết bị kẹp
cọc; 6. Cọc; 7. Khối lượng phần treo; 8, 10: Lò xo; 9. Đầu đấm; 11. Đe
Lực rung động chính là hợp lực ly tâm theo phương thẳng đứng của các cặp bánh
lệch tâm tạo ra khi quay. Các bánh lệch tâm 4 được dẫn động bởi động cơ 1 (điện hoặc
động cơ thủy lực) thông qua các bộ truyền động 2, trong đó búa rung dẫn động thủy lực
có ưu điểm là gọn nhẹ hơn, khả năng điều chỉnh tần số linh hoạt và êm thuận hơn so với
6
búa rung dẫn động bằng điện. Lực rung động là thông số cơ bản nhất của búa rung, trị số
của nó phụ thuộc vào giá trị mô men lệch tâm và tốc độ quay của các bánh lệch tâm. Biên
độ rung giữ vai trò quan trọng khi hạ cọc, không thể hạ được cọc vào nền khi biên độ
rung động của hệ búa - cọc nhỏ hơn biến dạng đàn hồi của đất và chỉ khi giá trị biên độ
này lớn hơn chuyển vị đàn hồi của đất (gây ra chuyển vị dư) thì cọc mới dịch chuyển đi
xuống. Tần số rung ảnh hưởng trực tiếp đến hiệu quả quá trình hạ cọc, nếu tần số rung
thấp cọc và đất chỉ dao động yếu, khi đó cọc và lớp đất xung quanh bề mặt cọc chuyển vị
đồng thời cùng nhau (đất biến dạng đàn hồi nên không có biến dạng dư) và cọc không đi
xuống, vì vậy tần số rung phải đủ lớn để phá vỡ liên kết giữa đất với đất (vùng quanh
cọc) và giữa đất với bề mặt cọc, làm lớp đất xung quanh cọc bị chảy lỏng hoặc hóa lỏng
dẫn đến giảm lực cản của đất lên cọc và làm cọc đi xuống. Ngoài ra, theo [43], [46], [37]
búa rung được phân loại theo tần số rung và mô men lệch tâm như trong bảng 1.1.
Bảng 1.1. Phân loại búa rung theo tần số và mô men lệch tâm
Loại búa rung
Khoảng tần số, Hz
Mô men lệch tâm, kg.m
Tần số tiêu chuẩn
> 230
21 30
Tần số cao
30 42
6 45
Loại thay đổi được số cặp bánh
40
10 45
lệch tâm
Loại lắp trên máy xúc
30 50
1 13
Loại cộng hưởng
>100
50
Hình 1.2. Búa rung dẫn động thủy lực tích hợp trên máy đào một gầu
1. Van khoá; 2. Đường dầu hồi; 3. Đường dầu áp cao; 4. Đường ống dẫn dầu cho búa rung;
5. Thùng dầu thuỷ lực; 6. Két làm mát dầu; 7. Bơm thuỷ lực; 8. Van điều khiển; 9. Cần điều
khiển búa; 10. Búa rung thuỷ lực; 11. Cọc
Có hai hình thức chính để tích hợp búa rung với máy cơ sở gồm kiểu treo cứng
(hình 1.3) và kiểu treo tự do (hình 1.4).
7
1: Cọc ván thép
2: Má kẹp cọc
3: Bệ gây rung
4: Xà treo
5: Móc cẩu
6: Cáp nâng búa
7: Đ-ờng ống
dẫn dầu thủy lực
6
8: Cần trục cơ sở
7
5
4
3
2
8
1
Hỡnh 1.3. Bỳa rung lp trờn mỏy c s cú s
dng giỏ dn hng (kiu treo cng)
1. Bỳa rung; 2. C cu kp cc; 3. Cn; 4. Hỡnh 1.4. Bỳa rung lp trờn cn trc c s
Cabin; 5. Mỏy c s.
(kiu treo t do)
Trong lun ỏn, nghiờn cu sinh chn hỡnh thc bỳa rung treo t do trờn cn trc c
s (hỡnh 1.4) lm i tng nghiờn cu, hỡnh thc ny s dng hiu qu trong quỏ trỡnh
thi cụng cc cú chiu di ln hoc tm vi ln (nh trong thi cụng m tr cu, cng sụng,
cng bin), c im ca kiu ny l bỳa c treo t do trờn cỏp nờn khụng to c
lc ộp khi h cc vỡ vy hỡnh thc ny thng c s dng cho cỏc loi bỳa rung ln.
1.1.1.2. Cc vỏn thộp
Hỡnh 1.5. Cc vỏn thộp dng tm
Hỡnh 1.6. Cc vỏn thộp dng ch U
Cc vỏn thộp (cũn gi l c thộp, c Larssen...) c s dng ln u tiờn vo nm
1908 ti M trong d ỏn xõy dng cng Black Rock v cho n nay chỳng c s dng
rng rói trong xõy dng vỡ nhng u im nh trng lng nh nhng kh nng chu lc
cao vi ti trng ng v ti trng lp chu k; cú th tỏi s dng nhiu ln, d s dng v
ch to; c tiờu chun húa v sn xut hng lot.... Cc vỏn thộp c s dng lm
tng chn ca cỏc cụng trỡnh ti ni cú a hỡnh i dc phc tp hay men theo b sụng;
8
làm tường tầng hầm thay cho tường bê tông cốt thép trong các công trình nhà; hay làm
khung vây tạm thời phục vụ thi công trong thi công các công trình hạ tầng,…
Hiện nay cọc ván thép được sản xuất với nhiều hình dạng, kích thước khác nhau
và ngày càng được cải thiện về khả năng chịu lực. Ngoài cọc ván thép có mặt cắt ngang
dạng chữ U, Z thông thường còn có loại mặt cắt ngang Omega (W), dạng tấm phẳng...
Ở nước ta hiện nay có rất nhiều loại cọc ván thép khác nhau về nguồn gốc, về tiêu
chuẩn và hình dạng, như các loại cọc ván thép được sản xuất theo tiêu chuẩn của liên
bang Nga, Trung Quốc, Nhật Bản… trong đó loại cọc ván thép sản xuất theo tiêu chuẩn
của Nhật Bản chế tạo tại Việt Nam hiện đang được sử dụng nhiều nhất, có chất lượng tốt
đáp ứng được các yêu cầu của tiêu chuẩn Việt Nam, giá thành hợp lý. Mặt khác, Nhật
Bản hiện đang là nước đứng đầu trong đầu tư xây dựng hạ tầng ở Việt Nam nên họ yêu
tiên sử dụng các loại cọc ván thép được sản xuất bởi các công ty Nhật Bản. Xuất phát từ
lý do trên, luận án lựa chọn cọc ván thép loại mặt cắt chữ U (NSP-IIw) theo tiêu chuẩn
của Nhật Bản, được chế tạo tại Việt Nam và là
loại được sử dụng phổ biến nhất hiện nay để
làm đối tượng nghiên cứu trong bài toán hạ
cọc ván thép bằng búa rung. Mặt cắt ngang
của cọc ván thép NSP-IIw như trên hình 1.7.
Hình 1.7. Mặt cắt cọc ván thép NSP-IIw
1.1.1.3. Nền đất nhiều lớp
Trong quá trình thành tạo lớp bề mặt vỏ trái đất như quá trình trầm tích, phong
hóa,… theo thời gian sẽ tạo lên các lớp đất, đá có thành phần, tính chất, màu sắc và chiều
dày khác nhau. Các lớp đất được tạo thành do kết quả quá trình phong hóa vật lý và hóa
học của các loại đá gốc, chúng là những mảnh vụn chưa được gắn kết với nhau trong quá
trình trầm tích. Tuy thuộc vào các yếu tố như khí hậu, vật liệu gốc, sinh vật, địa hình và
thời gian, đồng thời dưới tác động của các thay đổi về điều kiện tự nhiên như quá trình
trầm tích, sự làm chặt do trọng lượng của các tầng trầm tích mới phủ lên, sự xói mòn, sự
ngập nước hay tháo khô của hoạt động kiến tạo… sẽ ảnh hưởng đến việc hình thành đặc
điểm và các tính chất vật lý của từng lớp đất này. Từ đó cho thấy tại bất cứ ở vị trí nào
trên trái đất, bề mặt cũng được bao phủ bởi các lớp đất có tính chất và chiều dày khác
nhau. Không nằm ngoài quy luật trên, do đặc điểm địa hình đặc biệt nên cấu trúc địa chất
của nước ta được phân lớp tương đối rõ ràng, đó là kết quả của quá trình trầm tích lục địa
và trầm tích vùng vịnh hình thành lên các lớp cát, sạn, dăm, sét, sét pha, cát pha…[14],
