Báo cáo nghiên cứu khoa học sinh viên 2013 - 2014 Nhóm sinh viên thực hiện Cơ Giới Hóa K52 1 LỜI MỞ ĐẦU Tham gia NCKH là một cơ hội để sinh viên được vận dụng kiến thức vào việc giải quyết những vấn đề thực tế, qua đó nâng cao thêm trình độ, biết cách tiếp cận để giải quyết một công việc khoa học. Với nhận thức đó, nhóm sinh viên chuyên ngành Cơ giới hóa xây dựng khoá 52 gồm: - Nguyễn Huy Đăng - Võ Hồng Chiến - Nguyễn Văn Đạt - Trần Mạnh Linh đã tham gia đề tài NCKH: “Nghiên cứu thiết kế bộ công tác máy khoan gia cố xi măng đất và lựa chọn lắp trên máy cơ sở phù hợp” Đề tài đã được hoàn thành nhờ sự hướng dẫn nhiệt tình của ThS.Nguyễn Văn Dũng cùng sự nỗ lực của nhóm nghiên cứu. Kết quả của đề tài gồm những nội dung sau: - Nói được tính cấp thiết của đề tài - Nêu rõ tổng quan công nghệ và thiết bị - Thiết kế tính toán được bộ công tác khoan gồm : mũi khoan, động cơ dân động khoan, trục dẫn động, cột dẫn hướng và đưa ra bảng tông số cụ thể - Dựa vào bảng thông số bộ công tác chọn máy cơ sở phù hợp - Tính toán được sự ổn định của bộ máy khoan trong các trường hợp cụ thể - Tính toán kết cấu thép của cần máy đào để thỏa mãn điều kiện bền - Đánh giá hiệu quả kinh tế của phương án chế tạo thiết kế TP Hồ Chí Minh ngày 05/05/2014 Nhóm sinh viên thực hiện Báo cáo nghiên cứu khoa học sinh viên 2013 - 2014 Nhóm sinh viên thực hiện Cơ Giới Hóa K52 2 MỤC LỤC Phần I: Tính cấp thiết của đề tài 1 Phần II: Nội dung 2 I Chƣơng I: Tổng quan về công nghệ và thiết bị 2 1.1 Tổng quan về công nghệ 2 1.2 Tổng quan về thiết bị 7 II Chƣơng II: Thiết kế bộ công tác hai mũi khoan 10 2.1 Thiết kế mũi khoan chuyên dùng 10 2.2 Tính chọn động cơ dẫn động cơ cấu khoan 19 2.3 Tính cột dẫn động khoan 20 III Chƣơng III: Khái quát loại máy cơ sở thƣờng dùng gia cố nền móng và lựa chọn máy cơ sở phù hợp 21 3.1 Máy đào một gầu thủy lực 21 3.2 Máy cần trục bánh xích 28 3.3 Xác định thông số bộ công tác và chọn máy cơ sở 31 IV Chƣơng IV: Tính toán độ ổn định của bộ máy khoan khi lắp vào máy cơ sở đƣợc lựa chọn. 33 4.1 Các thông số cơ bản về trọng lượng 35 4.2 Tính toán ổn định trong các trường hợp 35 Khi máy khoan trên mặt phẳng ngang 35 Khi khoan xuyên dương góc 18,5 o 42 Khi khoan xuyên âm góc 5 o 45 Khi khoan trên dốc nghiêng ( lên dốc) 47 Khi khoan trên dốc nghiêng (xuống dốc) 52 Báo cáo nghiên cứu khoa học sinh viên 2013 - 2014 Nhóm sinh viên thực hiện Cơ Giới Hóa K52 3 V Chƣơng V: Tính toán kết cấu thép của cần máy đào để thỏa mãn điều kiện bền 58 5.1 Xác định ngoại lực tác dụng lên cần 58 5.2 Xác định nội lực trong cần 60 5.3 Kiểm tra sức bền cho cần 61 VI Chƣơng VI: Đánh giá hiệu quả kinh tế của phƣơng án chế tạo thiết kế 65 6.1 Giá thành của các thiết bị hiện có trên thị trường 65 6.2 Giá trị đầu tư các máy trên thị trường sau khi khảo sát thực tế tại các công ty và tài liệu nước ngoài, thông tin tin cậy từ các trang wed 66 6.3 Dự toán giá trị của sản phẩm thiết kế 68 Kết luận và kiến nghị 69 Báo cáo nghiên cứu khoa học sinh viên 2013 - 2014 Nhóm sinh viên thực hiện Cơ Giới Hóa K52 4 PHẦN I : TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI Hiện nay công tác xử lý nền đất yếu đặt ra nhiều thách thức cho các nhà thi công để đảm bảo chất lượng công trình và chất lượng công trình và tiến độ thi công.Công nghệ gia cố nền bằng cọc xi măng đất đang đem lại nhiều ưu điểm phù hợp với nền địa chất của Việt Nam. Ưu điểm của công nghệ gia cố nền đất yếu bằng cọc xi măng đất: - Chi phí thấp (giá của một đơn vị CXMĐ rẻ hơn đáng kể so với cọc bê tông), chi phí xử lý nền đất yếu có thể giảm đến 30%. ,tiến độ thi công nhanh. - Đặc biệt không gây rung động, ồn ào, tiếng động lớn , không tạo ra chất thải trong quá trình thi công. Có rất nhiều công trình lớn đã áp dụng công nghệ này, đặc biệt là khu vực phía Nam với các công trình lớn như : sân bay Long Thành, sân bay Trà Nóc, đường Phạm Văn Đồng - Bình Lợi – Vành Đai Ngoài, Cầu Đỏ … và đã đạt chất lượng tốt. Nhưng hệ thống máy móc và thiết bị công nghệp phục vụ thi công hiện nay Việt Nam đang phải nhập ngoại của các nước như Nhật, Đức, Trung Quốc và các nước Tây Âu với chi phí đầu tư thiết bị lớn ( VD: máy gia cố nền DHJ80 có giá từ 4,5 – 5 tỷ đồng) gây khó khăn cho các công ty. Trước tình hình đó, việc lựa chọn một máy cơ sở phù hợp lắp vào bộ công tác khoan theo yêu cầu thiết kế có khả năng chế tạo trong nước để giảm giá thành đầu tư máy tiết kiệm ngoại tệ đồng thời vẫn đảm bảo các yêu cầu kỹ thuật là điều rất quan trọng đối với các công ty hiện nay. Do đó đề tài nghiên cứu thiết kế công tác khoan gia cố nền xi măng đất và lựa chọn lắp trên máy cơ sở phù hợp có tính cấp thiết và phù hợp với yêu cầu thực tiễn thi công là xu hướng mà các công ty thi công đang áp dụng hiện nay. Báo cáo nghiên cứu khoa học sinh viên 2013 - 2014 Nhóm sinh viên thực hiện Cơ Giới Hóa K52 5 PHẦN II: NỘI DUNG CHƢƠNG I: TỔNG QUAN CÔNG NGHỆ VÀ THIẾT BỊ. 1.1 Tổng quan về công nghệ: Công nghệ gia cố nền đất yếu bằng cọc xi măng đất là một trong những công nghệ gia cố đã và đang được thế giới quan tâm và áp dụng trong nhiều hạng mục công trình quan trọng như sân bay, bãi đỗ xe, bến cảng Ưu điểm của công nghệ này là chi phí thấp (giá của một đơn vị cọc xi măng đất rẻ hơn đáng kể so với cọc bê tông, đặc biệt đối với các công trình có tải trọng phân bố đều trên diện rộng thì chi phí xử lý nền đất yếu có thể giảm đến 30%) và tiến độ thi công nhanh, đặc biệt không gây rung động, ồn ào, có thể thi công trong khu dân cư hoặc các khu đô thị. Hình 1.1 Máy khoan cọc xi măng đất gắn trên máy giá búa Ưu điểm của công nghệ này là chi phí thấp (giá có thể giảm 25 - 40%) và tiến độ, thi công nhanh, đặc biệt gây rung động, ồn ào rất ít so với thi công cột bê tông nên có thể thi công trong khu dân cư hoặc các khu đô thị. Báo cáo nghiên cứu khoa học sinh viên 2013 - 2014 Nhóm sinh viên thực hiện Cơ Giới Hóa K52 6 Nước ứng dụng công nghệ DMM nhiều nhất là Nhật Bản và các nước vùng Scandinaver. Theo thống kê của hiệp hội CDM (Nhật Bản), tính chung trong giai đoạn 80-96 có 2345 dự án, sử dụng 26 triệu m3 BTĐ. Riêng từ 1977 đến 1993, lượng đất gia cố bằngcông nghệ DMM ở Nhật vào khoảng 23,6 triệu m3 cho các dự án ngoài biển và trong đất liền, với khoảng 300 dự án. Hiện nay hàng năm thi công khoảng 2 triệu m3. Tại Trung Quốc, công tác nghiên cứu bắt đầu từ năm 1970, tổng khối lượng xử lý bằng công nghệ DMM ở Trung Quốc cho đến nay vào khoảng trên 1 triệu m3. Tại Châu Âu, nghiên cứu và ứng dụng bắt đầu ở Thụy Điển và Phần Lan bắt đầu từ năm 1967. Năm 1974, một đê đất thử nghiệm (cao 6m, dài 8m) đã được xây dựng ở Phần Lan sử dụng cột vôi đất, nhằm mục đích phân tích hiệu quả của hình dạng và chiều dài cột về mặt khả năng chịu tải. Tại Việt Nam, từ năm 2002 đã có một số dự án bắt đầu ứng dụng cọc XMĐ vào xây dựng các công trình trên nền đất, cụ thể như: Dự án cảng Ba Ngòi (Khánh Hòa) đã sử dụng 4000m cọc XMĐ có đường kính 0,6m thi công bằng trộn khô; xử lý nền cho bồn chứa xăng dầu đường kính 21m, cao 9m ở Cần Thơ. Năm 2004 cọc XMĐ được sử dụng để gia cố nền móng cho nhà máy nước huyện Vụ Bản (Hà Nam), xử lý móng cho bồn chứa xăng dầu ở Đình Vũ (Hải Phòng), các dự án trên đều sử dụng công nghệ trộn khô, độ sâu xử lý trong khoảng 20m. Tháng 5 năm 2004, các nhà thầu Nhật Bản đã sử dụng Jet - grouting để sửa chữa khuyết điểm cho các cọc nhồi của cầu Thanh Trì (Hà Nội). Năm 2005, một số dự án cũng đã áp dụng cọc XMĐ như: dự án thoát nước khu đô thị Đồ Sơn - Hải Phòng, dự án sân bay Cần Thơ, dự án cảng Bạc Liêu…. Báo cáo nghiên cứu khoa học sinh viên 2013 - 2014 Nhóm sinh viên thực hiện Cơ Giới Hóa K52 7 Hình 1.2Thi công trong khu dân cư Hình 1.3Máy khoan phun kiểu ướt Trong công nghệ gia cố nền đất yếu bằng cọc xi măng đất có hai phương pháp thi công là: 1/ Cọc xi măng đất phun kiểu khô: Xi măng được phun khô và trộn vào khối đất trong cọc để tạo thành cột xi măng đất. 2/ Cọc xi măng đất phun kiểu ướt: Xi măng được trộn thành vữa và phun vào khối đất trong cọc để tạo thành cột xi măng đất. Trong công nghệ cọc xi măng đất phun kiểu ướt lại chia ra hai loại: phun vữa Báo cáo nghiên cứu khoa học sinh viên 2013 - 2014 Nhóm sinh viên thực hiện Cơ Giới Hóa K52 8 xi măng cao áp (jet grouting) và phun vữa xi măng. Công nghệ phun vữa xi măng cao áp thường được áp dụng ở Tây Đức và các nước Bắc Âu, công nghệ này đòi hỏi dòng vữa xi măng phun ra dạng tia, có áp suất rất cao (thường khoảng 400-600 kG/cm 2 ), vận tốc lớn (≥100 m/s) và công suất động cơ dẫn động cũng rất lớn (từ 50 - 420 kW). Trong quá trình phun (hoặc bơm) chất kết dính để trộn với đất trong hố khoan, tuỳ theo yêu cầu có thể được thực hiện ở cả hai pha khoan xuống và rút lên của mũi khoan hoặc chỉ thực hiện ở pha rút mũi khoan lên. Để tránh lãng phí xi măng, hạn chế xi măng thoát ra khỏi mặt đất gây ô nhiễm môi trường thông thường khi rút mũi khoan lên cách độ cao mặt đất từ 0,5m đến 1,5m người ta dừng phun chất kết dính, nhưng đoạn cọc 0,5m đến 1,5m này vẫn được phun đầy đủ chất kết dính là nhờ chất kết dính có trong đường ống tiếp tục được phun (hoặc bơm) vào hố khoan.Trong khi đó, công nghệ phun vữa xi măng thông thường chỉ đòi hỏi áp suất phun khoảng 70-100 kG/cm 2 và vận tốc phun không lớn. Hiện nay hệ thống dây chuyền thiết bị phun vữa xi măng thông thường (gọi tắt là thiết bị phun vữa xi măng) là phổ biến hơn,phù hợp với điều kiên khách quan ở nước ta, điển hình như dây chuyền thiết bị của Nhật Bản và Trung Quốc. Ngoài ra hiện nay trên thế giới đã phát triển ba công nghệ Jet-grouting: đầu tiên là công nghệ S, tiếp theo là công nghệ T, và gần đây là công nghệ D. + Công nghệ đơn pha S: Công nghệ đơn pha tạo ra các cọc xi măng đất có đường kính vừa và nhỏ 0,4 - 0,8m. Công nghệ này chủ yếu dùng để thi công nền đất đắp, cọc Công nghệ hai pha D: Công nghệ hai pha tạo ra các cọc xi măng đất có đường kính từ 0,8 -1,2m. Công nghệ này chủ yếu dùng để thi công các tường chắn, cọc và hào chống thấm. Công nghệ ba pha T: Phun ba pha là phương pháp thay thế đất mà không xáo trộn đất. Công nghệ T sử dụng để làm các cọc, các tường ngăn chống thấm, có thể tạo ra cột Soilcrete đường kính đến 3m. Trình tự thi công cọc xi măng đất Báo cáo nghiên cứu khoa học sinh viên 2013 - 2014 Nhóm sinh viên thực hiện Cơ Giới Hóa K52 9 Thi công cải tạo nền đất yếu bằng cọc xi măng đất có thể theo các bước sau: - Định vị và đưa thiết bị thi công vào vị trí thiết kế; - Khoan hạ đầu phun trộn xuống đáy khối đất cần gia cố; - Bắt đầu quá trình khoan trộn và kéo dần đầu khoan lên đến miệng lỗ; - Đóng tắt thiết bị thi công và chuyển sang vị trí mới. Hình 1.4 Máy khoan xi măng đất (phun khô bằng khí nén) 1.2 Tổng quan về thiết bị: Thiết bị thi công cọc gia cố xi măng đất là một tổ hợp gồm nhiều thiết bị: Máy cơ sở, thiết bị khoan, thiết bị trộn vữa xi măng, bơm vữa xi măng, thiết bị định lượng vữa xi măng và hệ điều khiển. Máy cơ sở là thiết bị có nhiệm vụ neo giữ giá khoan và dẫn động cho mũi khoan tịnh tiến lên - xuống giá khoan theo các yêu cầu trong thi công cọc gia cố. Thiết bị khoan bao gồm các bộ phận chính như giá khoan, đầu khoan, cần khoan và mũi khoan.Giá khoan có nhiệm vụ neo giữ và dẫn hướng cho đầu khoan chuyển động lên - xuống, giá khoan có thể thay đổi được góc nghiêng (để thi công các cọc xiên khi cần).Đầu khoan (được dẫn động bởi nguồn thủy lực của máy cơ Báo cáo nghiên cứu khoa học sinh viên 2013 - 2014 Nhóm sinh viên thực hiện Cơ Giới Hóa K52 10 sở, hoặc nguồn điện) truyền chuyển động quay cho mũi khoan thông qua cần khoan.Khi khoan, nhờ trọng lượng bản thân của bộ phận đầu khoan và góc xoắn của mũi khoan mà mũi khoan đi vào nền đất với chiều sâu yêu cầu.Hệ thống tời rút mũi khoan trên máy cơ sở được dẫn động nhờ nguồn dẫn động thủy lực hoặc điện của máy cơ sở. Hình 1.5 Một số máy khoan xi măng đất khác Thiết bị trộn vữa xi măng có nhiệm vụ trộn xi măng với nước thành vữa xi măng (đối với kiểu phun vữa ướt); đồng thời làm nhiệm vụ bồn chứa hoặc có bồn chứa vữa xi măng đi cùng. s Hình 1.6 Máy khoan gia cố xi măng đất chuyển động cơ khí (Trung Quốc) [...]... dễ dàng trộn đều vữa xi măng với đất gia cố trong lỗ khoan.Trong quá trình bơm thì việc rút khoan lên phải phối hợp nhịp nhàng với nhau Thiết bị định lượng vữa xi măng có nhiệm vụ định lượng vữa xi măng cho từng cọc, phun vữa xi măng theo tốc độ rút mũi khoan cùng với việc trộn đều vữa xi măng trong cọc của thiết bị khoan Khi mũi khoan vừa được rút lên thi bộ công tác sẽ phun xi măng vào trong cùng...Báo cáo nghiên cứu khoa học sinh viên 2013 - 2014 Hình 1.7 Tổng thể dây chuyền thiết bị thi công cọc vữa xi măng đất 1- Thùng chứa nước; 2- Cơ cấu cung cấp xi măng; 3- Thùng chứa xi măng; 4- Tủ điện; 5- Đường ống cấp vật liệu; 6- Phễu chứa vật liệu; 7- Thùng chứa và trộn vữa; 8- Máy bơm vữa; 9- Máy di chuyển bánh xích; 10- Cụm puly móc câu; 11- Động cơ dẫn động quay; 12- Đường ống dẫn vữa xi măng; 13-... từng cọc Đây chính là những chỉ tiêu rất quan trọng đánh giá chất lượng của thiết bị cũng như chất lượng của cọc gia cố được thi công.Đây là lần đầu tiên ở trong nước chế tạo được tổ hợp thiết bị thi công cọc gia cố. Thiết bị có giá thành thấp, phù hợp với khả năng tài chính của các đơn vị thi công Bơm vữa xi măng đóng vai trò quan trọng, nó tạo ra dòng vữa xi măng có đủ áp suất giúp dễ dàng trộn đều... sinh viên thực hiện 28 Báo cáo nghiên cứu khoa học sinh viên 2013 - 2014 3.2 Cần trục bánh xích: Sử dụng cần trục bánh xích có thiết kế lắp thêm thiết bị cột dẫn hướng dạng dàn Thiết bị dẫn động đầu khoan được đặt cố định ở dưới nhằm tăng tính ổn định cho máy Đây là loại máy cơ sở có sẵn ở nước ta nên việc tận dụng loại máy này làm máy cơ sở cho thi công cọc xi măng đất sẽ tiết kiệm được choi phí đầu... lên thi bộ công tác sẽ phun xi măng vào trong cùng với thiết bị là cánh tay xới trộn xi măng với tạo nên cọc xi măng đất Cơ Giới Hóa K52 Nhóm sinh viên thực hiện 12 Báo cáo nghiên cứu khoa học sinh viên 2013 - 2014 CHƢƠNG II: THIẾT KẾ BỘ CÔNG TÁC HAI MŨI KHOAN 2.1 Thiết kế mũi khoan chuyên dùng: Tính toán lực cản cắt đất Theo công thức 1.2 [ 4 ] của GS.VS N.G.Dombrovski ta có: Lực cản cắt thuần túy:... trƣờng hợp cánh tay cắt đất và xới đất lúc đi xuống: *Xét cánh tay cắt đất: a Tính lực cản lên lƣỡi cắt: Lực cản tiếp tuyến:P01 = K.K2.B.h K: Hệ số xét đến số số răng cắt đất trên cánh tay cắt, với K ≤ 1, chọn K = 1 K2: Hệ số cắt đất thuần túy Chọn loại đất trong trường hợp này là đất cấp IV chọn K2 = 19 N/cm2 B: Chiều rộng phoi đất cắt chọn B = 300mm = 30 cm h: Chiều dầy phoi đất cắt chọn h = 40 mm... = 50 mm để dẫn vữa xi măng đi xuống Ta có mô hình như sau: 2000 200 3120 1080 500 480 5880 2 l? X R200 1880 4560 15000 Ø500 3l? X R120 400 920 200 Ø1500 Hình 2.5 Cấu tạo cột dẫn động khoan Cơ Giới Hóa K52 Nhóm sinh viên thực hiện 22 Báo cáo nghiên cứu khoa học sinh viên 2013 - 2014 CHƢƠNG III: LỰA CHỌN MÁY CƠ SỞ PHÙ HỢP 3. 1Máy đào một gầu thủy lực: Sử dụng máy đào làm máy cơ sở .Máy cơ sở này được thiết... vữa xi măng; 13- Mũi khoan chuyên dung;14- Cân cộng dồn phụ gia; 15- Cân điện tử xi măng; 16- Cân điện tử nước Cơ Giới Hóa K52 Nhóm sinh viên thực hiện 11 Báo cáo nghiên cứu khoa học sinh viên 2013 - 2014 Hình 1.8 Máy khoan có bộ công tác khoan gắn trên máy giá búa So với sản phẩm cùng loại của Nhật Bản hay các nước Tây Âu thì thiết bị nghiên cứu này chắc chắn có tính năng kỹ thuật tương đương nhưng... ưu việt hơn hẳn: Do sử dựng máy cơ sở là loại búa đóng cọc di chuyển bằng bánh xích, nên tính cơ động cao, tốc độ làm việc của thiết bị khoan lớn, năng suất gấp 1,5 - 2 lần Đặc biệt, tổ hợp thiết bị được trang bị hệ thống điều khiển hiện đại, toàn bộ các thao tác thi công cọc gia cố được tự động hóa theo các chương trình, các số liệu về lượng xi măng sử dụng trên từng mét cọc được hiển thị, lưu giữ... Báo cáo nghiên cứu khoa học sinh viên 2013 - 2014 CHƢƠNG IV :TÍNH TOÁN ĐỘ ỔN ĐỊNH CỦA BỘ MÁY KHOAN KHI LẮP VÀO MÁY CƠ SỞ ĐƢỢC LỰA CHỌN Hình 4.1Sơ đồ bộ công tác khoan và máy cơ sở Để bộ máy khoan làm việc an toàn, phải đảm bảo cho nó đứng vững, cần tránh trước bất kỳ khả năng nào làm cho bộ máy khoan bị lật đổ, kể cả trong những điều kiện đặt tải trọng bất lợi nhất Chỉ số đứng vững (ổn định) của máy khoan . cố. Thiết bị khoan bao gồm các bộ phận chính như giá khoan, đầu khoan, cần khoan và mũi khoan. Giá khoan có nhiệm vụ neo giữ và dẫn hướng cho đầu khoan chuyển động lên - xuống, giá khoan có thể. mũi khoan thông qua cần khoan. Khi khoan, nhờ trọng lượng bản thân của bộ phận đầu khoan và góc xoắn của mũi khoan mà mũi khoan đi vào nền đất với chiều sâu yêu cầu.Hệ thống tời rút mũi khoan. trong hố khoan, tuỳ theo yêu cầu có thể được thực hiện ở cả hai pha khoan xuống và rút lên của mũi khoan hoặc chỉ thực hiện ở pha rút mũi khoan lên. Để tránh lãng phí xi măng, hạn chế xi măng