Đồ án tốt nghiệp Thiết kế máy khoan cọc nhồi GPS-20 LỜI NÓI ĐẦU Trong tình hình phát triển kinh tế của nước ta hiện nay, sự nghiệp của cả đất nước là từng bước trở thành một nước công nghiệp hoá - hiện đại hoá. Để trở thành một nước có nền công nghiệp hiện đại thì ngành cơ khí chế tạo nói chung và ngành cơ khí máy xây dựng nói riêng sẽ đóng vai trò hết sức quan trọng. Đồng thời muốn cho kinh tế phát triển thì cần phải có những điều kiện thuận lợi để phục vụ cho nó. Vì vậy các công trình xây dựng lớn như cầu, cảng, nhà cao tầng… không thể thiếu được. Nhưng để những công trình lớn có thể bền vững được thì nền móng là yếu tố đầu tiên cần phải quan tâm, mà ngày nay công nghệ cọc khoan nhồi được sử dụng để để gia cố nền móng rất phổ biến và có hiệu quả cao cả về kỹ thuật và kinh tế. Đối với nước ta - một nước đang phát triển, chưa thể chế tạo được máy khoan cọc nhồi hiện đại theo kịp các nước phát triển, mà giá thành các loại máy đó lại khá cao, xét về kinh tế sẽ không có lợi bằng việc sử dụng các loại máy khoan cọc nhồi đơn giản như GPS 15, GPS 20, … Xuất phát từ những lý do trên, em nhận thấy đề tài:”TÍNH TOÁN THIẾT KẾ MÁY KHOAN CỌC NHỒI PHỎNG THEO KIỂU GPS 20 CỦA TRUNG QUỐC”là một đề tài rất hay và có ý nghĩa thiết thực đối với nước ta hiện nay và đối với bản thân em. Chính vì vậy đây chính là đề tài tốt nghiệp mà em dành hết tâm huyết. Do khối lượng công việc của đề tài khá lớn, một sinh viên không thể hoàn thành trong vòng vài tháng nên em đã làm cùng nhóm với hai sinh viên khác. Nhiệm vụ của từng người trong nhóm thiết kế máy khoan cọc nhồi GPS 20 như sau: 1.Nguyễn Tiến Mạnh:Thiết kế hệ thống tời chính-phụ, hệ thủy lực,cần khoan và đầu thuỷ long. 2.Nguyễn Văn Dũng: Thiết kế bộ truyền động, hệ thống điện, mâm quay. 3.Hoàng Đức Ninh: Thiết kế kết cấu thép. Công việc thiết kế tốt nghiệp này mặc dù rất khó khăn nhưng với sự hướng dẫn rất tận tình của thầy giáo: PGS.TS.Nguyễn Bính và KS.Phạm Anh Tuấn cùng với sự quan tâm giúp đỡ của các thày cô giáo trong bộ môn Máy xây dựng và xếp dỡ - ĐHGTVT nên em đã hoàn thành tốt nhiệm vụ thiết kế tốt nhiệp của mình và em đã tích lũy được thêm rất nhiều kiến thức của chuyên ngành Máy xây dựng và xếp dỡ. Nhưng do thời gian có hạn nên khó tránh khỏi những thiếu xót, em rất mong nhận được sự chỉ dẫn, góp ý của các thầy cô. Em xin chân thành cám ơn tất cả các thầy cô trong bộ môn MXD-XD, đặc biệt là thầy giáo PGS.TS.Nguyễn Bính và KS.Phạm Anh Tuấn. Sinh viên Nguyễn Tiến Mạnh SV: Nguyễn Tiến Mạnh 1 Lớp Máy xây dựng B-K42 ỏn tt nghip Thit k mỏy khoan cc nhi GPS-20 CHNG 1 GII THIU CHUNG V CễNG NGH V MY KHOAN CC NHI KH NNG VN DNG MY GPS (TQ) VIT NAM 1.1. Công nghệ tạo cọc khoan nhồi. Khoan cọc nhồi có mục đích tạo cọc (đúc cọc) tại chỗ. Công nghệ khoan cọc nhồi gồm hai bớc cơ bản là tạo lỗ khoan bằng máy khoan chuyên dùng và đúc cọc bêtông sau khi tạo lỗ. Công nghệ khoan cọc nhồi ra đời từ năm 1950 và ngày càng phát triển mạnh mẽ. Nó cho phép tạo ra các móng cọc chịu lực rất lớn để xây dựng các công trình: cầu, các toà nhà cao tầng, các công trình thuỷ lợi và thuỷ điện Nói chung các loại cọc khoan nhồi đờng kính lớn thi công theo công nghệ hiện đại có thể phân theo ba nhóm công nghệ chính nh sau: 1) Công nghệ đúc khô. Trình tự công nghệ này đợc mô tả nh sau (hình 1.1): a) khoan tạo lỗ và mở rộng chân cọc (nếu yêu cầu). b) Đổ bê tông bịt đáy hoặc bằng ống rút thẳng đứng (nếu hút nớc ảnh hởng trạng thái ổn định của lỗ cọc) hoặc bằng vòi voi (chú ý hạn chế độ cao rơi tự do của bê tông, tránh hiện tợng phân tầng). c) Đặt lồng thép phần trên cọc (không nhất thiết phải bố trí suốt chiều dài cọc nhng chiều dài lồng cốt thép cũng không đợc ngắn quá một nửa độ sâu của lỗ khoan). Chú ý bảo đảm lớp bêtông bảo vệ cốt thép không vợt quá những trị số quy định. d) Đúc nốt phần cọc còn lại hoàn toàn trên khô sau khi hút nớc. SV: Nguyn Tin Mnh 2 Lp Mỏy xõy dng B-K42 ỏn tt nghip Thit k mỏy khoan cc nhi GPS-20 1 2 3 4 A B C a b c Hình1.1. Công nghệ đúc khô cọc khoan nhồi a.Khoan lỗ; b.Đổ bê tông bịt đáy; c.Đặt lồng thép và đổ bê tông cọc 1.Cần khoan; 2.Đầu khoan; 3.ống rótbê tông; 4.Cốt thép cọc A.Vùng đất dính; B.Bê tông bịt đáy; C.Bê tông cọc - Công nghệ này thờng sử dụng trong trờng hợp trên suốt chiều sâu khoan cọc là đất dính, sát chặt. Đối với cát pha sét phơng pháp này cũng có thể sử dụng đợc khi mực nớc ngầm thấo hơn đáy lỗ khoan hoặc lu lợng nớc thấm vào không đáng kể, có khả năng bơm hút cạn, không sập vách hố khoan, không ảnh hởng chất lợng bê tông đổ trực tiếp. 2) Công nghệ dùng ống vách. Trình tự công nghệ đợc mô tả dới đây (hình1.2), bao gồm các bớc: a) Khoan tạo lỗ trong lớp đất dính b) Thêm vữa sét vào lỗ khi đã khoan đến lớp đất rời, thấm nớc. c) Hạ ống vách khi đã qua hết lớp đất rời. d) Lấy hết vữa sét và làm khô lỗ khoan. e) Tiếp tục khoan cho tới độ sâu thiết kế trong lớp đất khô. f) Mở rộng chân bằng cách xén gá lắp tại đầu khoan. SV: Nguyn Tin Mnh 3 Lp Mỏy xõy dng B-K42 ỏn tt nghip Thit k mỏy khoan cc nhi GPS-20 g) Đổ bê tông và đồng thời kéo ống vách ra khỏi lỗ khoan. 321 4 5 A B A C a) b) c, d) e) f) g) Hình 1.2. Công nghệ khoan dùng ống vách 1. Đầu khoan 4. Thiết bị mở rộng chân cọc 2. Vữa sét 5. Cốt thép cọc 3. ống vách A- Đất dính B- Đất rời C- Cọc đúc hoàn chỉnh - ống vách thờng sử dụng trong trờng hợp thi công nơi có nớc mặt hoặc lỗ khoan cọc xuyên qua các tầng đất sét nhão cát sỏi cuội có cấu trúc rời rạc. Nếu để ống vách lại, khoảng cách giữa vỏ ngoài ống và đất đang có đầy vữa sét (hoặc dung dịch khoan), phải đợc thay thế bằng cách bơm vữa ximăng có chất phụ gia với áp suất cao trong một ống dẫn đa sâu vào khe, xuống tận đáy của lớp vữa sét. Vữa ximăng sẽ thay chỗ dần và đẩy vữa sét (hoặc dung dịch khoan) còn sét lại trong khe ra ngoài . - Nếu rút ống vách ra khỏi lỗ khoan, cần phải tiến hành ngay trong khi bê tông vẫn còn ở thế nhão và mặt thoáng của bê tông tơi trong ống lúc nào cũng phải cao hơn mặt thoáng của vữa sét để lợng bê tông đủ thay thế cho vữa sét còn tồn đọng ở bên ngoài chung quanh vỏ ống vách. SV: Nguyn Tin Mnh 4 Lp Mỏy xõy dng B-K42 ỏn tt nghip Thit k mỏy khoan cc nhi GPS-20 3) Công nghệ dùng vữa sét hoặc dung dịch khoan. Trình tự công nghệ gồm có các bớc đợc trình bày trên hình 1.3, bao gồm. - Khoan qua lớp đất dính - Thêm vữa sét khi gặp lớp đất dễ sạt lở hoặc có nớc ngầm - Đặt lồng thép vào hố khoan vẫn đầy vữa sét - Đổ bêtông dới nớc bằng ống rút thẳng đứng cho tới khi bê tông thay chỗ và dồn hết vữa sét ra ngoài bể chứa. 1 2 3 4 5 6 7 Hình1.3. Công nghệ dùng vữa sét 1. Định tâm lỗ 5. Đặt cốt thép 2.ống vách tạm 6. đổ bê tông 3. Khoan trong đất 7. Cọc hoàn chỉnh 4. Phá đá cứng Công nghệ này có thể sử dụng để thay thế ống vách trong mọi tình huống địa chất. Trờng hợp dùng ống vách nhng không có khả năng cản đợc triệt để nớc ngầm chảy vào lỗ khoan, chẳng hạn ở bãi sông, dùng vữa sét thờng đạt hiệu quả tốt. SV: Nguyn Tin Mnh 5 Lp Mỏy xõy dng B-K42 ỏn tt nghip Thit k mỏy khoan cc nhi GPS-20 1.2. Giới thiệu chung về máy khoan cọc nhồi. Năm 1950 theo kiến nghị của giáo s Khlebnikov.E.H (trờngMADI) ở Liên Xô cũ đã chế tạo thử nghiệm và đa vào sử dụng tổ hợp máy khoan nhồi tạo ra cọc có chân mở rộng, để tạo tăng cờng sức chịu tải của nền đất. 1 2 3 4 5 6 7 Hình 1.1 Sơ đồ thiết bị khoan thuộc hệ Khlebnikov 1.Giá; 4.trống dẫn hớng; 6.Cánh xén; 2.Rô to; 5.Kích thuỷ lực 7.Phay 3.Cần khoan; Sau đó, Tenmikaelian và đồng nghiệp đã phát triển và hoàn thiện tổ hợp khoan có khả năng tạo lỗ và đúc cọc đờng kính từ 0,9 đến 1,7m, độ sâu tối đa 40m. Tuy theo tốc độ hạ mũi phay và mỏ cân cọc có thể tạo ra hốc mở rộng hình quay hình tròn xoay. Toàn bộ chiều cao gần 2m, đờng kính mở rộng 2,2-3,5m. Khi khoan cọc thẳng và xiên có thể dùng ngay giá búa đóng cọc. Một trong những hãng chế tạo máy khoan nhồi nổi tiếng là hãng BAUER (Đức) với những tổ hợp máy có tính năng hiện đại, năng suất cao và có thể thi công qua nhiều địa tầng phức tạp, với các bộ công tác thích hợp. SV: Nguyn Tin Mnh 6 Lp Mỏy xõy dng B-K42 ỏn tt nghip Thit k mỏy khoan cc nhi GPS-20 2 5 3 4 1 Hình 1.3 Tổ máy khoan BAURE BS.680 1.thiết bị mâm xoay ống vách 4.Cần trục 2.ống vách 5.Máy cơ sở 3.Gầu đào Nói chung, máy khoan cọc nhồi rất đa dạng và phong phú về kết cấu và chủng loại. ở Liên Xô có máy khoan cọc nhồi kiểu MBH, máy khoan hệ Khlebnikov, ở Pháp có tổ hợp khoan Benoto EDF, ở Đức có các loại máy khoan của hãng Salzigitter: PS-150, S-200, S-300 ., ở Nhật có rất nhiều hãng sản xuất máy khoan nhồi nh: Hitachi, Nippon Sharyo, Sumitomo,ở Trung Quốc có: GPS, QJ, dới đây là một số dạng máy và thiết bị khoan cọc nhồi đặc trng: 1.2.1. Máy khoan dùng ống vách. Đầu khoan hoạt đông theo nguyên tắc gầu ngoạm nhng có khối lợng nặng bảo đảm năng suất phá và bốc đất đá cao. SV: Nguyn Tin Mnh 7 Lp Mỏy xõy dng B-K42 ỏn tt nghip Thit k mỏy khoan cc nhi GPS-20 5 4 3 1 2 Hình1.4 Sơ đồ cấu tạo của thiết bị khoan dùng ống vách 1.Cáp treo gầu đào; 4.Gầu ngoạm; 2. xi lanh nâng hạ; 5. ống vách có răng cắt đất 3. Mâm xoay ống vách Các loại máy kiểu này: - Hãng Benoto( pháp), VD: EDF55, N6. - Hãng Hitachi, VD: KH-150 , KH-200. - Hãng Kato, VD: 50 TH, 20 THC , 30THC. - Hãng Bauer, VD: BG7, BG9, BG14, BG22 . - Hãng Nippon sharyo, VD: RT-100 , RT- 150, RT150A, RT-200. 1.2.2 Máy khoan vận hành ngợc. Các đầu khoan trong máy vận hành ngợc cũng có nhiều loại khác nhau, tuỳ theo đất đá, các hoạt động đào đất, hút nớc và bùn khoan bổ sung dung dịch khoan theo nguyên tắc tuần hoàn xuất phát từ máy khoan kiểu PS của hãng Salzgitter. Mô men quay thờng nhỏ hơn nhiều loại vừa khoan đợc trong đất vừa khoan trong đá cứng. Tuy nhiên việc lựa chọn đầu khoan nên căn cứ vào cờng độ chịu nén của đất đá. SV: Nguyn Tin Mnh 8 Lp Mỏy xõy dng B-K42 ỏn tt nghip Thit k mỏy khoan cc nhi GPS-20 Trục khoan là những ống thép ống (có đờng kính trong từ 100 đến hơn 300mm) để dung dịch khoan vận hành ngựơc trở về bể chứa và sau khi sàng lọc lại cho xuống lỗ khoan để dùng cho chu trình tiếp theo, vì vậy máy mang tên máy khoan vận hành ngợc. 4 6 7 3 2 5 1 Mực nứơc ngầm Hình1.5. Thiết bị khoan vận hành ngợc 1.Cáp treo; 4.Giá đỡ; 6. ống hút; 2. Vòi hút phoi; 5. ống vách; 7. Vòi hút 3.ống cấp dung dịch; Các loại máy khoan nhồi đờng kính cực lớn từ 4m trở lên đều dùng các loại đầu khoan của phơng pháp vận hành ngợc. Chẳng hạn của hãng sản xuất Ishika washima nh các tổ hợp L4-4S, L-10S, L-1B của hãng Mitsubish nh: MD-350, MD-150, MD- 450, MD-250. 1.2.3.Máy khoan đất. Máy khoan đất có gầu khoan làm việc theo nguyên tắc xoắn vít hoặc gầu xoay dùng rất hiệu quả để cho những cọc đờng kính lớn trong nền đất và đá yếu. Trờng SV: Nguyn Tin Mnh 9 Lp Mỏy xõy dng B-K42 ỏn tt nghip Thit k mỏy khoan cc nhi GPS-20 hợp đất dính, dùng đầu khoan kiểu vít xoáy (giống xoắn) đất phôi khoan sau khi xén sẽ liên tục đợc chuyển ra ngoài . Trờng hợp đất quá dẻo và ngập nớc nên dùng loại gầu khoan kiều gầu, đất khoan cho cánh xén cắt, đợc gạt vào gầu, khi đầy đất, cánh xén khép lại và đầu khoan đợc kéo lên đổ đất ra ngoài. 5 2 4 3 1 Hình 1.6. Máy khoan dùng Gầu xoay 1.Cáp treo thanh kely; 2. Thanh kely; 3. Mâm xoay thanh kely 4. ống vách tạm; 5. Gầu xoay đào Do không dùng ống vách và nhiều trờng hợp không dùng cả vữa sét nên rất thông dụng trong các điều kiện địa chất khác nhau, kể cả khi trong đất có rễ cây, đá tảng. Chỉ những lớp đất khả năng sạt lở khoan mới chống tạm thời bằng một đoạn ống vách. Dùng máy khoan tạo lỗ kiểu vít xoắn liên tục, có trục khoan rỗng đáy ống bịt kín xoắn liên tục, có trục khoan rỗng, đậy ống kín . Khi khoan xong máy đợc quay ngợc chiều, đồng thời vữa xi măng cát hoặc bê tông cốt liệu nhỏ hơn đợc bơm xuống SV: Nguyn Tin Mnh 10 Lp Mỏy xõy dng B-K42 . loại máy khoan cọc nhồi đơn giản như GPS 15, GPS 20, … Xuất phát từ những lý do trên, em nhận thấy đề tài:”TÍNH TOÁN THIẾT KẾ MÁY KHOAN CỌC NHỒI PHỎNG THEO. nghệ tạo cọc khoan nhồi. Khoan cọc nhồi có mục đích tạo cọc (đúc cọc) tại chỗ. Công nghệ khoan cọc nhồi gồm hai bớc cơ bản là tạo lỗ khoan bằng máy khoan