Tóm tắt Luận án tiến sĩ Kỹ thuật: Búa rung - Cọc ván thép - Nền đất nhiều lớp

Chia sẻ: Phong Tỉ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:25

Thêm vào BST

Báo xấu

50
lượt xem 1
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Mục đích nghiên cứu của luận án nhằm 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

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Tóm tắt Luận án tiến sĩ Kỹ thuật: Búa rung - Cọc ván thép - Nền đất nhiều lớp

1 MỞ ĐẦU 1. Tính cấp thiết của đề tài: Ở nước ta, búa rung đã được sử dụng từ lâu [10], nhưng 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. Do đó, 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 từ 20 đến 40 Hz làm đối tượng nghiên cứu vì đây là loại búa rung được sử dụng rất phổ biến trong công tác thi công hiện nay. - 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. - Nền đất nhiều lớp: Đây là cấu trúc địa chất phổ biến và điển hình ở Việt Nam, gồm các lớp đất cát và đất sét được phân lớp có chiều dày khác nhau. 4. Nội dung nghiên cứu - Nghiên cứu xây dựng mô hình lý thuyết và chương trình tính toán xác định các thông số kỹ thuật của hệ “Búa rung - Cọc ván thép - Nền đất nhiều lớp”. - Nghiên cứu lựa chọn mô hình đất và lý thuyết tính toán các thành phần lực cản động của các lớp đất tác dụng lên cọc ván thép trong quá trình hạ cọc bằng búa rung. - Nghiên cứu xây dựng phương pháp và chương trình tính toán xác định các thông số kỹ thuật hợp lý của búa rung hạ cọc ván thép vào nền đất nhiều lớp bằng thuật toán di truyền. - Nghiên cứu thực nghiệm xác định các thành phần lực cản và các hệ số thực nghiệm, hoàn thiện bộ số liệu đầu vào cho bài toán xác định các thông số kỹ thuật hợp lý của búa rung hạ cọc ván thép vào nền đất nhiều lớp. - Xác định hệ số hóa lỏng và hệ số chảy lỏng của một số loại đất trong một trường hợp cụ thể. 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 cọc ván thép mà còn cho các loại cọc khác như cọc ống thép, cọc bê tông…, có thể ứng dụng chương trình tính này để tính toán, thiết kế hợp lý búa rung chế tạo trong nước. - 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 để tính toán thiết kế hoặc lựa chọn,
2 khai thác sử dụng búa rung trong 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. - Nghiên cứu thực nghiệm xác định các thành phần lực cản động của nền đất lên cọc ván thép khi hạ bằng búa rung, xác định được hệ số hóa lỏng và hệ số chảy lỏng động của một số loại đất để sử dụng trong tính toán, thiết kế và khai thác sử dụng búa rung. 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 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 gồm: xây dựng hàm mục tiêu, sơ đồ thuật toán và chương trình tính toán; đã áp dụng tính toán cho một trường hợp điển hình. - Bằng phương pháp nghiên cứu thực nghiệm đã xác định được giá trị hệ số hóa lỏng và hệ số chảy lỏng của một số loại đất tại Hà Nội. CHƯƠNG 1. NGHIÊN CỨU TỔNG QUAN VỀ HỆ “BÚA RUNG - CỌC VÁN THÉP - NỀN ĐẤT NHIỀU LỚP” 1.1. Các công trình nghiên cứu về quá trình hạ cọc bằng búa rung đã công bố 1.1.1. Các công trình nghiên cứu trong nước Từ các công trình nghiên cứu trong nước đã công bố, có thể thấy: - Một số tác giả nghiên cứu động lực học quá trình hạ cọc bằng búa rung trên quan điểm của bài toán cơ học hạ thanh (cứng tuyệt đối hoặc là đàn hồi) vào môi trường nền đất đàn hồi [4], [9] nên không mô tả được cơ chế ứng xử phức tạp của môi trường đất dưới tác dụng của lực rung động. - Một số tác giả nghiên cứu xây dựng mô hình và giải bài toán động lực học quá trình hạ cọc bằng búa rung qua các mô hình cơ học một khối lượng, có quan tâm đến thành phần lực ma sát thành bên theo chiều sâu hạ cọc [29] hay mô hình búa rung nối cứng với cọc trong môi trường nền đất có tính đàn - dẻo [3]. Các tác giả xây dựng công thức lý thuyết xác định các thành phần lực cản của nền đất lên cọc dưới dạng lực tĩnh và chưa đưa ra phương pháp tính toán các thành phần lực cản này trong quá trình làm việc. - Một số tác giả nghiên cứu xây dựng mô hình động lực học [13] hoặc phân tích lựa chọn mô hình động lực học của các tác giả trên thế giới [8], [11], [18] để áp dụng cho trường hợp cụ thể, từ đó đưa ra các kiến nghị đối với quá trình tính toán, thiết kế hay khai thác sử dụng búa rung khi hạ cọc với giả thiết coi cọc là cứng tuyệt đối, nền đất coi là đồng nhất 1 lớp và là môi trường đàn hối tuyến tính. Có tác giả tiến hành nghiên cứu thực nghiệm trên mô hình thực nghiệm thu nhỏ nên kết quả sai khác so với thực tế [13]. Từ nhưng phân tích trên cho thấy, nghiên cứu quá trình hạ cọc ván thép vào nền đất nhiều lớp bằng búa rung có quan tâm đến việc xác định các thành phần lực cản động giữa đất với cọc dựa trên mô hình tương tác giữa “các lớp đất - cọc” là nội dung hoàn toàn mới, chưa đề cập trong bất kỳ công trình nghiên cứu nào. 1.1.2. Các công trình nghiên cứu ngoài nước: Nghiên cứu quá trình hạ cọc bằng búa rung đã và đang được nhiều tác giả trên thế giới quan tâm với nhiều cách tiếp cận khác nhau. Sự khác biệt trong các nghiên cứu này không chỉ về mô hình tính toán mà còn về phương pháp xác định các thành phần lực cản động giữa đất với cọc hay các thông số địa kỹ thuật đưa vào tính toán. Qua phân tích, đánh giá các công trình nghiên cứu ngoài nước
3 có thể thấy: - Các công trình nghiên cứu trên thế giới tập trung vào 3 nhóm vấn đề, gồm: nghiên cứu khả năng hạ cọc bằng búa rung, nghiên cứu ảnh hưởng của quá trình hạ cọc bằng búa rung đến môi trường xung quanh và nghiên cứu sức chịu tải của cọc. - Quá trình hạ cọc bằng búa rung tuy được nhiều tác giả nhưng vẫn còn tồn tại nhiều hạn chế, chưa phản ánh đầy đủ và đúng với quá trình làm việc thực tế nên kết quả còn hạn chế và sai số tương đối lớn so với thực tế [46]. - Hầu hết các tác giả đều giả thiết coi nền đất là đồng nhất 1 lớp để đơn giản hóa quá trình tính toán [46],[47],[39]…, cho nên các kết quả nghiên cứu vẫn còn sai số lớn (khoảng giá trị các hệ số thực nghiệm rộng). Từ đó cho thấy, chưa có công trình nghiên cứu ngoài nước nào đề cập đến nghiên cứu xác định các thông số kỹ thuật của búa rung hạ cọc ván thép vào nền đất nhiều lớp, có quan tâm đến quá trình tương tác giữa cọc ván thép với các lớp đất để xác định các thành phần lực cản động như đã đề cập của luận án. 1.2. 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 1.2.1. Phân tích quá trình hạ cọc ván thép bằng búa rung Quá trình hạ cọc ván thép bằng búa rung lắp trên cần trục cơ sở được thể hiện như hình 1.12. P0 Khèi l-îng bóa rung, mb = m1+m2 Khung treo m1 Biªn ®é lùc kÝch thÝch Tæng khèi l-îng cña hÖ, mtong = m1 + m2 +mc MÆt nÒn ban ®Çu Th©n bóa - m2 T(i+1)/4 T(i+1)/2 T(i) T(i)/4 T(i)/2 Thêi gian (t) lón MÆt ®Êt bÞ rung®éng ph©n g©y rung O d¹ng 3T(i)/4 T(i+1) 3T(i+1)/4 biÕn Ðp bÞ n th Pkt nÒn c v¸ MÆt i h¹ cä Khèi l-îng ®éng, md = m2 + mc kh M¸ kÑp cäc Pkt Biªn ®é lùc kÝch thÝch Lùc c¶n suy gi¶m §Êt Cäc v¸n thÐp HiÖn t-îng hãa láng cña ®Êt xung mc 2 quanh cäc v¸n thÐp §Êt . h1 3 Mòi cäc 1( Líp 1 1 Rs1 4 . 5 2( h2 1. M¸y c¬ së 2 Rs2 Líp 2 1 1 1 2. Mãc treo bóa 11 3. Khung treo 6 4. Th©n bóa rung thñy lùc 5. M¸ kÑp cäc . Rsi Líp i  i(   6. Cäc v¸n thÐp i hi Rti Hình 1.12. Tổng thể quá trình hạ cọc Hình 1.13. Cơ chế hoạt động của hệ “Búa ván thép bằng búa rung rung - Cọc ván thép - Đất nhiều lớp” Khi búa rung hoạt động, một phần năng lượng của búa rung truyền vào nền đất, kích thích các hạt đất dao động tạo ra trạng thái hóa lỏng (đất cát) và trạng thái chảy lỏng (đất sét), làm tăng áp lực nước lỗ rống và làm giảm lực cản giữa các lớp đất với cọc ván thép [41], phần năng lượng còn lại tạo lực ấn cọc, khi lực ấn này lớn hơn tổng lực cản động của nền đất lên cọc thì cọc bắt đầu đi xuống. Cơ chế hoạt động của hệ “Búa rung - Cọc ván thép - Đất nhiều lớp”được thể hiện trên hình 1.13, với: P0 là lực căng cáp nâng búa rung (nếu có), mb = m1 + m2 là tổng khối lượng búa rung, mtong = m1 + m2 + mc là tổng khối lượng của cả hệ (m1, m2, mc lần lượt là khối lượng khung treo búa rung, khối lượng thân búa và khối lượng cọc ván thép), Pkt là lực rung động của búa, h1, h2, ..., hi lần lượt là chiều dày các lớp đất và Rs1, Rs2, ..., Rsi và Rt1, Rt2, ..., Rti lần lượt là lực cản động của các lớp đất này tác dụng lên thành cọc và mũi cọc. Quá trình tương tác giữa đất với cọc ván thép khi hạ cọc bằng búa rung là một quá trình phức tạp và phụ thuộc vào nhiều yếu tố như các yếu tố liên quan đến búa rung, nền đất và cọc ván thép. Trong đó, các thông số của búa rung và nền đất là các thông số quan trọng nhất, quyết định cơ chế tương tác giữa đất với đất hay giữa đất với cọc tại vùng xung quanh cọc, từ đó đưa ra cơ sở lý
4 thuyết tính toán các thành phần lực cản động này. 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 Trong cơ học đất thường dùng một số mô hình cơ bản như: - Mô hình đàn hồi tuyến tính đẳng hướng; - Mô hình đàn hồi - thuần dẻo; - Mô hình đàn hồi phi tuyến; - Mô hình đàn- dẻo- nhớt. Đã có nhiều công trình nghiên cứu cho thấy lực cản động của đất Hình 1.17. Sơ đồ mô tả dịch chuyển của cọc lên cọc ván thép ảnh hưởng trực tiếp ván thép (a), lực cản động thành cọc (b) và đến quá lực cản động mũi cọc (c). trình hạ cọc, gồm hai thành phần là lực cản động thành cọc (Rs) và lực cản động mũi cọc (Rt). Dưới tác động của tải trọng chu kỳ, các thành phần lực cản này có quy luận thay đổi như thể hiện trên hình 1.17. Đến nay trên thế giới có một số tác giả đã xây dựng mô hình đất và mô hình toán để xác định các thành phần lực cản động của nền đất tác dụng lên cọc thép dưới tác dụng của lực rung động, như: Karlsruhe, Vipere và Vibdrive đề cập trong [46]; Seung-Hyun Lee [49]; Svetlana Polukoshko [56] và Alain Holeyham đề cập trong [65], [44]. Trong đó luận án lựa chọn mô hình Vibdrive (cho các loại đất cát) và mô hình Alain Holeyham (cho các loại đất sét) để xác định các thành phần lực cản động của nền đất lên cọc ván thép (Chương 2), vì các mô hình này tường minh, dễ ứng dụng, phù hợp điều kiện nghiên cứu thực nghiệm tại Việt Nam. 1.3. Cơ sở lý thuyết tối ưu xác định các thông số hợp lý của búa rung trong quá trình hạ cọc ván thép vào nền đất nhiều lớp Theo [28], [32], [73], [31] trong thiết kế kỹ thuật, tối ưu hoá là công cụ toán học quan trọng được ứng dụng để cải thiện một cách hệ thống các thông số thiết kế nhằm thỏa mãn các mục tiêu đặt ra. Quá trình này được thực hiện bằng sự thay đổi thích hợp giá trị của các thông số thiết kế cho đến khi xác định được giá trị tối ưu của hàm mục tiêu. Có nhiều phương pháp tiềm kiếm tối ưu khác nhau như phương pháp đạo hàm (phương pháp tổng trọng số; phương pháp ràng buộc pháp tuyến ; phương pháp dây cung…) hay phương pháp phi đạo hàm (quy hoạch tiến hoá; chiến lược tiến hoá; chương trình tiến hoá như thuật toán di truyền, thuật toán mô phỏng luyện kim, thuật toán tiến hoá vi phân…). Như vậy, có nhiều phương pháp khác nhau để giải bài toán tối ưu hóa và không thể chỉ ra đâu là phương pháp tốt nhất. Thuật toán di truyền sử dụng hiệu quả đối với các bài toán thiết kế tối ưu trong kỹ thuật, vì vậy luận án sử dụng “Thuật Toán Di Truyền” để giải bài toán xác định các thông số kỹ thuật hợp lý của búa rung trong quá trình hạ cọc ván thép vào nền đất nhiều lớp (Chương 3). KẾT LUẬN CHƯƠNG 1 1. Búa rung là thiết bị hiện đang được sử dụng rộng rãi trong thi công, nhưng cơ sở lý thuyết phục vụ việc tính toán, thiết kế, lựa chọn búa rung ở nước ta còn thiếu và bất cập. Trên cơ sở tổng hợp, phân tích kết quả của các công trình nghiên cứu trong và ngoài nước đã công bố, luận án lựa chọn nội dung nghiên cứu xác định các thông số kỹ thuật hợp lý của búa rung thi công cọc ván thép vào nền đất nhiều lớp, có quan tâm đến cơ chế tương tác giữa các lớp đất với cọc ván thép trong quá trình làm việc, đây là hướng nghiên cứu hoàn toàn mới, không trùng lặp và có ý nghĩa thực tế cao.
5 2. Việc xác định các thành phần lực cản động của nền đất tác dụng lên cọc ván thép dựa trên cơ chế tương tác giữa các loại đất với cọc ván thép khi được hạ bằng búa rung có ý nghĩa quyết định đến kết quả của bài toán và là vấn đề cốt lõi của bài toán hạ cọc ván thép vào nền đất bằng lực rung động, tuy nhiên ở nước ta vẫn chưa có công trình nào quan tâm nghiên cứu. Trên cơ sở quá trình tổng hợp, phân tích các công trình nghiên cứu đã công bố trên thế giới, luận án đã lựa chọn được mô hình đất và mô hình toán xác định các thành phần lực cản động của nền đất lên cọc ván thép dưới tác dụng của lực rung động, cụ thể sức kháng nén động đơn vị tại mũi cọc (qd) và sức kháng cắt động đơn vị tại thành cọc (d) của các lớp đất cát lên cọc ván thép được xác định theo các công thức từ 1.2 đến 1.5, của các lớp đất sét được xác định theo các công thức từ 1.6 đến 1.9. 3. Nghiên cứu xác định các thông số hợp lý của búa rung để hạ cọc ván thép vào nền đất nhiều lớp là vấn đề cấp thiết có tính khoa học cao, làm cơ sở để hoàn thiện thiết kế búa rung chế tạo trong nước và làm cơ sở để lựa chọn các loại búa rung, nâng cao hiệu quả trong khai thác sử dụng. Vấn đề này chưa có tác giả nào đề cập nghiên cứu. Có nhiều phương pháp tính toán tối ưu, trong đó phương pháp ứng dụng thuật toán di truyền để tính toán tối ưu trong các bài toán kỹ thuật có nhiều ưu điểm, vì vậy luận án lựa chọn thuật toán di truyền để xây dựng phương pháp xác định các thông số hợp lý của búa rung để hạ cọc ván thép vào nền đất nhiều lớp. CHƯƠNG 2. NGHIÊN CỨU HỆ “BÚA RUNG-CỌC VÁN THÉP- NỀN ĐẤT NHIỀU LỚP” 2.1. Xây dựng mô hình tính cho hệ “Búa rung-Cọc ván thép-Nền đất nhiều lớp” 2.1.1. Phát biểu bài toán Như phân tích ở Chương 1, luận án xây dựng mô hình tính toán hai khối lượng cho hệ “Búa rung - Cọc ván thép - Nền đất nhiều lớp”, có quan tâm đến sự tương tác giữa cọc ván thép với các lớp đất xung quanh để tính toán các thành phần lực cản động của chúng lên cọc ván thép, cho phép mô tả đúng điều kiện làm việc thực tế của hệ nên cho kết quả tính toán sẽ chính xác và đáng tin cậy hơn. Các đối tượng của hệ “Búa rung-Cọc ván thép-Nền đất nhiều lớp” luận án nghiên cứu, gồm: - Búa rung: Búa rung có kết cấu hai khối lượng (khung treo và thân búa riêng biệt), kiểu treo tự do trên cần trục cơ sở và điều chỉnh lực rung động thông qua điều chỉnh tần số rung làm đối tượng nghiên cứu và tính toán cho trường hợp cụ thể với búa rung VH- QTUTC70 do Việt Nam chế tạo. - Cọc ván thép: Loại cọc có mặt cắt chữ U được đóng đơn, đây là loại cọc ván thép được sử dụng phổ biến, có độ cứng đảm bảo và phù hợp với mục đích nghiên cứu. Trong trường hợp tính toán cụ thể, sử dụng các thông số của cọc ván thép NSP-IIw. - Đất: Cấu trúc nền đất gồm nhiều lớp có chiều dày, tính chất cơ lý khác nhau làm đối tượng nghiên cứu và tính toán cho trường hợp cụ thể với cấu trúc địa chất tại trụ T2, T3 cầu Đồng Quang (Ba Vì, Hà Nội). 2.1.2. Xây dựng mô hình tính hệ “Búa rung - Cọc ván thép - Nền đất nhiều lớp” Luận án xây dựng mô hình lý thuyết cho bài toán hạ cọc ván thép vào nền đất nhiều lớp bằng búa rung như trên hình 2.5 với các giả thiết:
6 - Coi cọc ván thép được liên kết cứng z m1 với thân búa qua má kép, mọi điểm 1 S Biªn ®é lùc kÝch thÝch m2 T(i) T(i)/4 T(i+1)/4 3T(i+1)/4 3T(i)/4 trên búa và cọc ván thép có độ dịch O Thêi gian (t) T(i)/2 T(i+1) T(i+1)/2 2 z Pkt Biªn ®é lùc kÝch thÝch Pkt chuyển, gia tốc, vận tốc và chuyển vị mc giống nhau. t1 z h1 Cs1 ks1 Líp 1 Rs1 - Coi tổng lực của búa rung tác dụng lên cọc có phương thẳng đứng trùng z h2 Rs2 Líp 2 t2 Cs2 ks2 với tim cọc và có điểm đặt tại đỉnh ti Rsi z hi Csi ksi ti cọc. Cti kti Líp i - Chỉ xét quá trình hạ cọc khi lực Rti căng cáp nâng búa bằng không và Hình 2.5. Mô hình tính toán lý thuyết hệ “Búa rung không xét quá trình kéo cọc; - Cọc ván thép - Đất nhiều lớp” - Búa rung thay đổi được tần số rung, không thay đổi được mô men lệch tâm; - Đất gồm nhiều lớp khác nhau có chiều dày lần lượt là h1, h2,... hi, coi trong mỗi lớp là đồng nhất và có các thông số cơ lý đặc trưng riêng. Mỗi lớp đất được đặc trưng bởi một mô hình đất để xác định các thành phần lực cản động, giá trị của các thành phần lực cản động được xác định trong mỗi chu kỳ tác dụng của lực rung động, tương ứng với chiều sâu dịch chuyển của cọc trong các lớp đất đó. - Coi cọc ván thép cứng tuyệt đối và chỉ dao động theo phương thẳng đứng. - Coi môi trường tương tác của đất xung quanh cọc giống nhau theo mọi phương. Từ mô hình tính toán lý thuyết (hình 2.5) ta phân tích lực và thu được sơ đồ như trên hình 2.6. Trong đó: - z1, z2: Lần lượt là chuyển vị của khung treo, thân búa-cọc ván thép, m; - Fs: Lực đàn hồi của hệ lò xo, kN; - m1, m2, mc: Lần lượt là khối lượng khung treo, thân búa và cọc ván thép, kg; - Pkt: Lực rung động, kN; .. Pqt1=m1z1 m1g - Pqt1, Pqt2: Lần lượt là lực quán tính của z1 khung treo và thân búa - cọc ván thép, kN; O x Fs - Rs: Tổng lực cản động thành cọc do các z Fs .. lớp đất tác dụng lên phần chiều dài cọc đã Pqt2=(m2+mc)z2 Pkt được hạ vào trong nền đất. Lực cản động (m2+mc)g z2 thành cọc (Rs) được mô hình bằng hàm Rs bậc thang, mà ở đó hướng của lực cản Rt thành luôn ngược với chiều chuyển động Hình 2.6. Sơ đồ phân tích lực tác dụng lên các phần tử của mô hình tính của cọc, được xác định bằng công thức sau:  1 khi z 2 > 0  sign( z 2 )= 0 khi z 2 = 0  z R s =sign( z 2 )   d dz -1 khi z 2 < 0  0 với (2.25) Trong đó: : Chu vi cọc ván thép, m; d: Sức kháng cắt động đơn vị tại thành cọc (công thức 1.3 đối với đất cát và công thức 1.9 đối với đất sét), kN/m2; z: Chiều sâu dịch chuyển của đầu cọc vào đất, m. z 2 : Vận tốc dịch chuyển của cọc, m/s; - Rt: Lực cản động mũi cọc của lớp đất mà mũi cọc đang dịch chuyển vào, được xác định
7 bằng công thức sau: q d .A t khi z 2 >0 (2.26) Rt =  0 khi z 2  0 Trong đó: At: Diện tích mũi cọc, m2; qd: Sức kháng nén động đơn vị tại mũi cọc (công thức 1.2 đối với đất cát và công thức 1.8 đối với đất sét), kN/m2; Từ đó ta xây dựng được phương trình chuyển động của hệ:  m z +S(z -z )-m g=0  1 1 1 2 1 (2.28)   (m +m )z -S(z -z )-(m +m )g-M .ω2 .sin(ω.t)+R +R =0  2 c 2 1 2 2 c e s t 2.2. Xây dựng sơ đồ thuật toán và chương trình tính 2.2.1. Sơ đồ thuật toán B¾t ®Çu NhËp c¸c th«ng sè ®Çu vµo: Gäi c¸c th«ng sè ®Çu vµo: - C¸c th«ng sè cña bóa rung thñy lùc - C¸c th«ng sè cña bóa rung thñy lùc B¾t ®Çu - C¸c th«ng sè cña cäc v¸n thÐp - C¸c th«ng sè cña cäc v¸n thÐp - C¸c th«ng sè cña c¸c líp ®Êt - C¸c th«ng sè cña c¸c líp ®Êt - ThiÕt lËp c¸c gi¸ trÞ ban ®Çu: z10,z20, v10, v20, z0... Sè chu kú tÝnh Gäi c¸c gi¸ trÞ lùc i=1 c¶n cña ®Êt Rs(i), Rt(i) TÝnh Fd i =1+1 Fd + mtængg  Rs(i) + Rt(i) §óng Gäi ch-¬ng tr×nh tÝnh lùc c¶n cña ®Êt Rs(i), Rt(i) Sai Gäi ch-¬ng tr×nh tÝnh tÝch Cäc ®i xuèng Cäc kh«ng ®i xuèng Gäi ch-¬ng tr×nh con tÝnh c¸c ph©n hÖ ph-¬ng tr×nh TÝnh vËn tèc vtb(i) vtb(i) = 0 Sai th«ng sè ®éng lùc häc cña bµi to¸n Fd + mtængg Rs(i) + Rt(i) chuyÓn ®éng cña hÖ x¸c vtbi; zi(t); vi(t); ai(t) ®Þnh z®i(t); v®i(t); a®i(t) z(t); v(t); a(t) §óng TÝnh ®é dÞch chuyÓn cña cäc z(i) = z(i-1) + i*T*vtb(i) XuÊt kÕt qu¶ vµ vÏ ®å TÝnh: thÞ c¸c th«ng sè ®Çu ra zi(t) = z(i) + z®i(t) cña m« h×nh z(t); v(t); vi(t) = v®i(t) a(t), ... ai(t) = a®i(t) KÕt thóc KÕt thóc Hình 2.7. Sơ đồ khối chương trình tính Hình 2.8. Sơ đồ chương trình con tính bài toán hạ cọc ván thép bằng búa rung các thông số động lực học của hệ NhËp c¸c th«ng sè ®Çu vµo NhËp sè líp ®Êt: n=3 NhËp chiÒu dµy c¸c líp, hj (j=1 - n) B¾t ®Çu NhËp lo¹i ®Êt cho mçi líp NhËp c¸c chØ tiªu c¬ lý cña c¸c líp ®Êt Gäi chiÒu s©u z(i) Gäi m« h×nh ®Êt tÝnh TÝnh §óng a1 = h1 -z(i)  R1s(i) = R1s(z(i)) Rs(i) = R1s(i) R1t(i) = R1t(z(i)) Rt(i) = R1t(i) Sai Lùc TÝnh R1s = Rs(h1) c¶n ®éng cña ®Êt Gäi m« h×nh ®Êt tÝnh TÝnh §óng lªn a2 = h1 + h2 -z(i)  R2s(i) = R2s(z(i)-h1) Rs(i) = R1s+ R2s(i) cäc KÕt thóc R2t(i) = R2t(z(i)-h1) Rt(i) = R2t(i) v¸n Sai thÐp Rs(i), TÝnh R2s = Rs(h1)+Rs(h2) Rt(i) TÝnh Gäi m« h×nh ®Êt tÝnh Rs(i)=R2s+R3s(i) R3s(i) = R3s(z(i)-h1-h2) Rt(i)=R3t(i) R3t(i) = R3t(z(i)-h1-h2) Hình 2.9. Sơ đồ chương trình con tính lực cản động của các lớp đất lên cọc ván thép 2.2.2. Xây dựng chương trình tính: Từ thuật toán đã xây dựng, ứng dụng phần mềm Matlab để lập trình chương trình tính bài toán hạ cọc ván thép vào nền đất nhiều lớp bằng búa rung (Phụ lục A.1). Độ tin cậy của chương trình tính mà luận án xây dựng được kiểm chứng thông qua việc so sánh với kết quả tính của các công trình nghiên cứu đã công bố trên thế giới (Phụ lục A.3).
8 2.3. Bài toán hạ cọc ván thép NSP-IIw bằng búa rung VH-QTUTC70 vào nền đất nhiều lớp tại công trình cầu Đồng Quang (Ba Vì, Hà Nội) 2.3.1. Các thông số đầu vào của bài toán - Các thông số của búa rung VH-QTUTC70: Cấu tạo của búa rung VH-QTUTC70 như trên hình 2.10 và có các thông số cơ bản như trong bảng 2.2. 18 19 445 380 7 25 20 8 21 22 Ø180 n6 Ø180n6 Ø85H7 Ø85H7 Ø90H7 Ø85H7 Ø85H7 n6 n6 n6 n6 n6 28 9 650 1060 Ø150n6 Ø70 H7 n6 d.18x30 H7 n6 10 23 d.10x90H7 d.10x90H7 24 n6 n6 Ø180 n6 Ø180 n6 Ø85H7 Ø85H7 Ø85H7 760 n6 n6 n6 480 10 19 60 0 445 260 D B C 6 11 15 240 5 16 d.10x90H7 d.10x90H7 n6 n6 Ø180 n6 Ø180 n6 Ø180 n6 Ø180 n6 27 Ø85H7 Ø85H7 Ø85H7 Ø85H7 Ø85H7 Ø85H7 Ø85H7 Ø90H7 n6 n6 n6 n6 n6 n6 n6 n6 12 D-D 260 260 260 740 4 17 3000 1. Chèt liªn kÕt tay ®ßn víi m¸ kÑp d.10x90H7 d.10x90H7 n6 n6 Ø180 n6 Ø180 n6 Ø180 n6 Ø180 n6 Ø90H7 Ø85H7 Ø85H7 Ø85H7 Ø85H7 Ø85H7 Ø85H7 n6 n6 n6 n6 n6 n6 n6 13 2. Chèt liªn kÕt tay ®ßn víi th©n ®Çu kÑp 240 B C 3. Chèt liªn kÕt tay ®ßn víi c¸n xy lanh 4, 6, 15,17. C¸c trôc l¾p b¸nh lÖch t©m 3, 2, 1, 4 200 270 5, 16. C¸c cÆp b¸nh r¨ng truyÒn chuyÓn ®éng D 3 7. èng lãt trôc lß xo 60 A 8. Trôc lß xo 9. Lß xo gi¶m rung ®éng 10, 18. §ai èc h·m lß xo d-íi vµ trªn 2 11. L¾p æ 12, 13. B¸nh lÖch t©m lo¹i 1, lo¹i 2 970 1 14 14. Tay ®ßn 26 19. Lß xo b¶o vÖ ®ai èc 20, 21. B¸nh r¨ng bÞ ®éng vµ chñ ®éng 22. æ ®òa ®ì trôc b¸nh r¨ng chñ ®éng 23. Vßng g¨ng A 60 24. æ ®òa ®ì trôc 265 265 25. Khung treo bóa C-C A-A B-B 26. M¸ kÑp Nh×n ph¶i Nh×n tr-íc Nh×n tr¸i Nh×n sau 27. Th©n bóa 28. §éng c¬ thñy lùc dÉn ®éng Hình 2.10. Cấu tạo búa rung VH-QTUTC70 Bảng 2.2. Các thông số đầu vào của búa rung VH-QTUTC70 TT Tên thông số Ký hiệu Giá trị Đơn vị 1 Mô men lệch tâm của trục gây rung Me 13,46 kg.m 2 Khối lượng phần treo của búa m1 300 kg 3 Khối lượng phần rung của búa m2 2200 kg 4 Tần số rung f 15-36 Hz 5 Độ cứng hệ lò xo giảm chấn S 30 kN/m - Các thông số của cọc ván thép NSP-IIw: Bảng 2.3. Các thông số đầu vào của cọc ván thép NSP-IIw TT Tên thông số Ký hiệu Giá trị Đơn vị 1 Chu vi cọc ván thép  1,5 m 2 Diện tích mũi cọc ván thép At 1,04E-02 m2 3 Chiều dài cọc lcọc 14,5 m 4 Khối lượng cọc ván thép mc 1183,2 kg 5 Khối lượng 1m dài cọc ván thép gcvt 81,6 kg/m 6 Mô men quán tính cọc ván Jcvt 5,22E-05 m4 - Các thông số của nền đất tại công trình cầu Đồng Quang (Ba Vì, Hà Nội): Cấu tạo địa chất tại vị trí trụ T2 và T3 cầu Đồng Quang được thể hiện thông qua mặt cắt hình trụ hố khoan địa chất của lỗ khoan LKT2 (trụ T2) và lỗ khoan LKT2 (T3) như trên hình 2.11 và hình 2.12. Địa chất tại trụ T2 và trụ T3 cầu Đồng Quang có cấu trúc địa chất nhiều lớp, ở đó các lớp đất cát và đất sét (bảng 2.4) nằm đan xen, với chiều dày khác nhau, đây là cấu trúc địa chất điển hình của Việt Nam. Bảng 2.4. Loại đất tại trụ T2 và T3 cầu Đồng Quang Tên lớp đất tại trụ T2 và T3 cầu Đồng Quang Tên loại đất tương đương Cát hạt nhỏ, chặt vừa (Lớp 2 trụ T2) alb,aIV3tb1 Sét pha, trạng thái nửa cứng (Lớp 3 trụ T2 và lớp 3 trụ T3) a,amIII2vp3 Cát hạt nhỏ, rời rạc (Lớp 1 trụ T3) aIV3tb2 Cát hạt trung sỏi sạn lẫn sét, chặt vừa đến chặt (Lớp 2 trụ T3) aIII2vp1
9 Dù ¸n ®Çu t- x©y dùng c«ng tr×nh cÇu §ång Quang Dù ¸n ®Çu t- x©y dùng c«ng tr×nh cÇu §ång Quang §Þa ®iÓm: S¬n T©y, TP. Hµ Néi vµ huyÖn Thanh Thñy, tØnh Phó Thä §Þa ®iÓm: S¬n T©y, TP. Hµ Néi vµ huyÖn Thanh Thñy, tØnh Phó Thä Lý tr×nh: Km0 - Km2+196,11 Lý tr×nh: Km0 - Km2+196,11 H¹ng môc: §Þa chÊt cÇu H¹ng môc: §Þa chÊt cÇu Giai ®o¹n thiÕt kÕ: ThiÕt kÕ b¶n vÏ thi c«ng Giai ®o¹n thiÕt kÕ: ThiÕt kÕ b¶n vÏ thi c«ng h×nh trô hè khoan h×nh trô hè khoan Sè hiÖu lç khoan: LKT2 Tû lÖ: 1/100 ChiÒu s©u lç khoang: 17m Sè hiÖu lç khoan: LKT3 Tû lÖ: 1/100 ChiÒu s©u lç khoang: 19m Cao ®é lç khoan: 7.11 Ngµy khoan: 15/04/2014 Ng-êi lËp: NguyÔn §×nh Ngäc Cao ®é lç khoan: 6.61 Ngµy khoan: 16/04/2014 Ng-êi lËp: NguyÔn §×nh Ngäc Lý tr×nh: Km0+298.43 M¸y khoan: XY-1 KiÓm tra: Hoµng Quang LuËn Lý tr×nh: Km0+365.03 M¸y khoan: XY-1 KiÓm tra: Hoµng Quang LuËn §é s©u lÊy mÉu(m) §é s©u lÊy mÉu(m) ThÝ nghiÖm xuyªn tiªu chuÈn ThÝ nghiÖm xuyªn tiªu chuÈn Th-íc ®é s©u (m) Th-íc ®é s©u (m) ChiÒu s©u líp(m) ChiÒu s©u líp(m) MÆt c¾t ®Þa tÇng MÆt c¾t ®Þa tÇng Cao ®é líp (m) Cao ®é líp (m) BÒ dµy líp (m) BÒ dµy líp (m) ChØ sè SPT N ChØ sè SPT N Sè bóa N/30cm Sè bóa N/30cm Sè hiÖu líp Sè hiÖu líp M« t¶ ®Þa chÊt M« t¶ ®Þa chÊt BiÓu ®å BiÓu ®å 2 N1 N2 N3 2 N1 N2 N3 0 10 20 30 40 50 0 10 20 30 40 50 1 0.03 C¸t h¹t nhá lßng s«ng mµu x¸m 7.11 0.03 C¸t h¹t nhá mµu x¸m ®en 1 KÕt cÊu rêi r¹c 1 1.56 4 13 6.61 1.56 15 2 1 4 8 13 2 2 5 8 15 C¸t h¹t nhá mµu x¸m ®en 2 5.07 KÕt cÊu chÆt võa 4 2 5 8 15 15 4 3 10 14 27 27 5 2 7.89 C¸t h¹t trung sái s¹n lÉn sÐt KÕt cÊu chÆt võa ®Õn chÆt 2.04 5.1 2 25 3 28 6 9 14 25 6 10 15 28 3 6.9 6a 26 29 8 2 9 15 26 8 4 11 15 29 SÐt pha mµu x¸m n©u Tr¹ng th¸i nöa cøng -2.84 9.45 27 2 28 10 2 10 15 27 10 11 15 28 12 2 29 6a 29 10 17 29 12 2 11 16 29 -4.86 12 3 6.2 SÐt pha mµu x¸m n©u 7 Tr¹ng th¸i nöa cøng 4 2.0 §¸ phiÕn sÐt x¸m xanh, x¸m ®en 30 Nøt nÎ m¹nh 14 3 11 16 30 -6.86 14 5 3.0 8 -9.04 15.65 §¸ phiÕn sÐt x¸m xanh, x¸m ®en 4 1.0 7 §¸ phiÕn sÐt x¸m xanh, x¸m ®en Nøt nÎ m¹nh Phong hãa nhÑ, t-¬i cøng -10.04 16.65 -9.86 17 5 2.0 8 §¸ phiÕn sÐt x¸m xanh, x¸m ®en Phong hãa nhÑ, t-¬i cøng Hình 2.11. Hình trụ hố khoan LKT2 Hình 2.12. Hình trụ hố khoan LKT3 - Hệ số hóa lỏng và hệ số chảy lỏng của các loại đất tại trụ T2 và T3 đưa vào chương trình tính toán lý thuyết như trong bảng 2.5 (các hệ số này là kết quả nghiên cứu thực nghiệm ở Chương 4). Bảng 2.5. Giá trị các hệ số thực nghiệm đưa vào tính toán Tấn số (f) 15 20 25 30 35 Hệ số thực nghiệm Loại đất Hz Hz Hz Hz Hz Trụ T2 Lớp 2 - Cát hạt nhỏ Mũi cọc 0,6 0,5 0,4 0,4 0,2 Hệ số hóa màu xám đen, rời Thành lỏng 0,167 0,167 0,111 0,109 0,104 rạc cọc Lớp 3 - Sét pha màu Mũi cọc 0,6 0,7 0,4 0,3 0, 18 Hệ số chảy xám nâu, trạng thái Thành lỏng 0,16 0,11 0,12 0,13 0,17 nửa cứng cọc Trụ T3 Lớp 1 - Cát hạt nhỏ Mũi cọc 0,6 0,5 0,4 0,4 0,2 Hệ số hóa màu xám đen, rời Thành lỏng 0,167 0,167 0,111 0,109 0,104 rạc cọc Lớp 2 - Cát hạt trung Mũi cọc 0,191 0,179 0,247 0,243 0,116 Hệ số hóa sỏi sạn lẫn sét, chặt Thành lỏng 0,152 0,166 0,117 0,109 0,116 vừa đến chặt cọc Lớp 3 - Sét pha màu Mũi cọc 0,6 0,7 0,4 0,3 0, 18 Hệ số chảy xám nâu, trạng thái Thành lỏng 0,16 0,11 0,12 0,13 0,17 nửa cứng cọc 2.3.2. Kết quả tính toán với thông số địa chất tại trụ T2 b) Dịch chuyển của cọc tại Z = 2 m a) Dịch chuyển tổng thể của cọc c) Độ dịch chuyển của cọc tại Z = 8 m Hình 2.14. Độ dịch chuyển thực của cọc (trụ T2, f=30Hz) Hình 2.15. Gia tốc của cọc (trụ T2, f=30Hz)
10 Hình 2.17. Vận tốc của cọc (trụ T2, f=30Hz) Hình 2.19. Chuyển vị của cọc (trụ T2, f=30Hz) a) Lực cản động thành cọc tổng thể theo thời gian hạ cọc b) Lực cản động thành cọc khi t = 2 s c) Lực cản động thành cọc khi t = 80 s Hình 2.22. Lực cản động thành cọc (trụ T2, f=30Hz) a) Lực cản động mũi cọc tổng thể theo thời gian hạ cọc b) Lực cản động mũi cọc tại t = 2 s (lớp 1) c) Lực cản động mũi cọc tại t=80s (lớp 2) Hình 2.22. Lực cản động mũi cọc (trụ T2, f=30Hz) KẾT LUẬN CHƯƠNG 2 1. Trên cơ sở tổng hợp, đánh giá và phân tích các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình hạ cọc ván thép bằng búa rung vào nền đất nhiều lớp, luận án đã xây dựng được mô hình toán cho quá trình hạ cọc ván thép bằng búa rung vào nền đất nhiều lớp (hình 2.11) có quan tâm đến cơ chế tương tác giữa đất với cọc để xác định các thành phần lực cản động của các lớp đất (đất cát hoặc đất sét, đây là các loại đất điển hình của địa chất ở nước ta) lên cọc ván thép. 2. Từ mô hình toán thiết lập, luận án xây dựng chương trình tính toán xác định các thông số kỹ thuật của bài toán hạ cọc ván thép bằng búa rung vào nền đất nhiều lớp trên phần mềm Matlab. Độ tin cậy của chương trình này được kiểm chứng bằng việc so sánh kết quả tính với kết quả của các công trình đã công bố trên thế giới. Chương trình này được sử dụng để tính toán trong bài toán xác định các thông số kỹ thuật hợp lý của búa rung trong hệ "Búa rung - Cọc ván thép - Nền đất nhiều lớp" đề cập trong Chương 3. 3. Ứng dụng chương trình tính này cho trường hợp búa rung thủy lực VH-QTUTC70, hạ cọc ván thép NSP-IIw vào nền đất nhiều lớp tại trụ T2 và 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 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 3.1.1. Xây dựng bài toán Bài toán xác định các thông số kỹ thuật hợp lý của búa rung hạ cọc ván thép vào nền đất nhiều lớp là một bài toán phi tuyến phức tạp liên quan đến nhiều tham số đầu vào như các tham số của búa rung, cọc ván thép, môi trường đất, trong đó các tham số của đất là các
11 tham số phi tuyến khó xác định. Bảng 3.1. Các thông số kỹ thuật của búa rung TT Tên thông số Ký hiệu 1 Mô men lệch tâm của trục gây rung, kg.m Me 2 Khối lượng phần treo của búa, kg m1 3 Khối lượng phần rung của búa, kg m2 4 Tần số rung, Hs f 5 Độ cứng hệ lò xo giảm chấn, kN.m/s S Từ bảng 3.1 có thể thấy, đối tượng búa rung mà luận án đã chọn được đặc trưng bởi năm thông số kỹ thuật cơ bản, với mỗi bộ giá trị của các thông số trên ứng với một chế độ hoạt động của búa rung. Vì vậy, để điều chỉnh chế độ hoạt động của búa rung nhằm tối ưu quá trình hạ cọc ván thép vào nền đất nhiều lớp, phải xác định được bộ giá trị hợp lý các thông số trên khi xét trong hệ “Búa rung - cọc ván thép - nền đất nhiều lớp”. Có thể tùy chọn một hay cả năm thông số trên để tính toán xác định giá trị hợp lý, điều đó có ý nghĩa rất lớn đối với quá trình tính toán, thiết kế và khai thác búa rung. Do đó, trong trường hợp tổng quát, luận án xây dựng bài toán xác định các thông số kỹ thuật hợp lý của búa rung (cả năm thông số) hạ cọc ván thép mặt cắt chữ U vào nền đất nhiều lớp, ứng dụng trong trường hợp cụ thể, luận án chỉ tập trung xác định giá trị hợp lý của hai thông số là tần số rung động (f) và khối lượng phần treo (m1) của búa rung VH- QTUTCH70, vì xét trên quan điểm khai thác sử dụng, hai thông số này có thể dễ dàng điều chỉnh trực tiếp trong quá trình búa đang hoạt động. Các thông số trên của búa rung được xác định gián tiếp thông qua bài toán tối ưu đa mục tiêu, trong đó hàm mục tiêu là tối thiểu hóa chi phí năng lượng tiêu hao trong quá trình hạ cọc ván thép vào nền đất nhiều lớp bằng búa rung theo chiều sâu hạ cọc khi thay đổi các thông số đầu vào của búa. Từ đó xác định được các giá trị phù hợp nhất cho các thông số của búa rung tương ứng với từng loại đất cụ thể. 3.1.3. Xây dựng mô hình toán xác định các thông số hợp lý của búa rung a. Hàm mục tiêu: Hàm mục tiêu được biểu diễn bằng biểu thức toán học sau: m T (3.17) W m WT (2.π)2 .ξ 0 .Me 3 i CFW(p)= = i =  f . z 2 (f,m1 ,m2 ,mc ,S,Me ,R t ,R s ) .dt z i=1 z tb (Ti ) i=1 0 z tb (Ti ).1000.μ Trong đó: CFW(p): Hàm chi phí năng lượng theo chiều sâu hạ cọc, kW/m; W: Tổng năng lượng chi phí để dẫn động búa rung, kW; z: Chiều sâu hạ cọc ván thép, m; b. Thông số hợp lý cần xác định: Tập hợp các thông số kỹ thuật của búa như bảng 3.1. c. Điều kiện ràng buộc: - Điều kiện ràng buộc của các thông số thiết kế: pl  p(f,m1, m1, Me, S)  pu (3.18) l Trong đó: p : Véc tơ giới hạn dưới của các thông số thiết kế p; p(f,m1, m1, Me, S): Véc tơ các thông số thiết kế; pu: Véc tơ giới hạn trên của các thông số thiết kế p. - Điều kiện ràng buộc về điều kiện làm việc của hệ: + Điều kiện để hạ được cọc vào nền đất bằng búa rung là biên độ dao động của cọc ván thép phải lớn hơn giá trị biên độ giới hạn nhỏ nhất: z2 (f,m1,m2 ,mc ,S,Me ,R t ,R s )  [S0 ] (3.19)
12 Trong đó: [S0 ] : Giá trị biên độ giới hạn nhỏ nhất của cọc (bảng 2.1). z2 (f,m1,m2 ,mc ,S,Me ,R t ,R s ) : Giá trị tuyệt đối của biên độ dao động của cọc ván thép, m + Điều kiện ràng buộc tổng chiều sâu hạ cọc: 0  z  z max (3.20) Với: zmax: Chiều sâu hạ cọc cho trước, m. d. Bài toán tối ưu: Bài toán tối ưu xác định các thông số kỹ thuật hợp lý của búa rung hạ cọc ván thép vào nền đất nhiều lớp có thể viết ở dạng chính tắc như sau: n Ti W n WT i (2.π) 2 .ξ 0 .M e 3 = = z i=1 z tb (Ti ) i=1 0 z tb (Ti ).1000.η min CFW(p)= f . z 2 (f,m1 ,m 2 ,m c ,S,M e ,R t ,R s ) .dt (3.21) pP p   M ,m ,m ,f,S T u   2 x1 p  p  p  l   e 1 2  l  p   M e ,m1 ,m 2 ,f ,S  l l l l l    p : pu   M eu ,m1u ,m 2u ,f u ,Su      z 2 (m1 ,m 2 ,m c ,S,M e ,R t ,R s )  [S0 ]  0  z  z   max    Với pl và pu là véc tơ giới hạn dưới và trên của các thông số thiết kế p, So  là giá trị biên độ giới hạn nhỏ nhất để đảm bảo hạ được cọc vào các lớp đất (bảng 2.1). 3.1.4. Xây dựng thuật toán và chương trình tính các thông số hợp lý 3.1.4.1. Xây dựng sơ đồ thuật toán B¾t ®Çu T¹o mét quÇn thÓ th«ng Khëi t¹o quÇn thÓ th«ng sè tÝnh to¸n ban ®Çu p0 sè tÝnh to¸n míi p' Th«ng sè tÝnh to¸n p' §ét biÕn Gäi ch-¬ng tr×nh tÝnh to¸n hÖ "BRTL - CVT - §NL" ®Ó tÝnh c¸c gi¸ trÞ W(p'), Ztb(p')... Hµm môc tiªu minCFW(p) Lai ghÐp pP Kh«ng tháa X¸c ®Þnh ®é thÝch nghi cña c¸ thÓ T¸i sinh m·n Tháa m·n C¸ thÓ phï hîp XuÊt kÕt qu¶ tèi -u p* KÕt thóc 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 3.1.4.2. Xây dựng chương trình tính các thông số hợp lý Dựa trên thuật toán đã xây dừng, tiến hành xây dựng chương trình tính bài toán xác định các thông số kỹ thuật hợp lý của búa rung để hạ cọc ván thép vào nền đất nhiều lớp dựa trên cơ sở ứng dụng thuật toán di truyền bằng phần mềm Matlab (Phụ lục A.2) và ứng dụng chương trình tính xây dựng được cho trường hợp cụ thể để xác định các thông số kỹ thuật hợp lý của búa rung VH-QTUTCH70 (tần số rung - f và khối lượng phần treo - m1) hạ cọc NSP-IIw vào nền đất tại trụ T2, T3 cầu Đồng Quang (Ba Vì, Hà Nội) với các hệ số thực nghiệm được xác định trong Chương 4. 3.2. Xác định các thông số kỹ thuật hợp lý của búa rung VH-QTUTCH70 hạ cọc NSP- IIw vào nền đất tại trụ T2 và T3 cầu Đồng Quang (Ba Vì, Hà Nội)
13 3.2.1. Các thông số hợp lý cần xác định của búa rung VH-QTUTC70 Hai thông số kỹ thuật của búa rung VH-QTUTC70 để tính toán tối ưu, gồm: - Tần số lực rung động của búa rung, được tìm trong khoảng f = 15 - 100 Hz; - Khối lượng khung treo của búa rung, được tìm trong khoảng m1 = 0 - 2000 kg. 3.2.2. Các thông số đầu vào: Gồm các thông số trong bảng 3.3 và các thông số khác của búa rung, cọc ván thép và nền đất lấy trong mục 2.3 Chương 2. Bảng 3.3. Thông số đầu vào để xác định các thông số hợp lý của búa rung VH-QTUTC70 TT Tên thông số Ký hiệu Giá trị Đơn vị 1 Hệ số thực nghiệm 0 1 2 Hiệu suất truyền động cơ khí ck 1 3 Hiệu suất truyền động thủy lực tl 0,98 4 Chiều sâu hạ cọc lớn nhất để tính tối ưu zmax 6 m 3.2.3. Kết quả tính toán các thông số hợp lý Bảng 3.4. Các thông số kỹ thuật hợp lý của búa rung TT Thông số thiết kế Ký hiệu Giá trị Đơn vị 1 Với loại đất cát hạt nhỏ màu xám đen, chặt vừa (trụ T2) 1.1 Khối lượng khung treo của búa rung m1 1000 kg 1.2 Tần số rung của búa rung f 32,26 Hz Hàm mục tiêu CFW 1,159 kW/m 2 Với loại sét pha màu xám nâu, trạng thái nửa cứng (trụ T2) 2.1 Khối lượng khung treo của búa rung m1 1400 kg 2.2 Tần số rung của búa rung f 20,85 Hz Hàm mục tiêu CFW 2,124 kW/m 3 Với loại cát hạt nhỏ màu xám đen, rời rạc (trụ T3) 3.1 Khối lượng khung treo của búa rung m1 1100 kg 3.2 Tần số rung của búa rung f 34,19 Hz Hàm mục tiêu CFW 1,283 kW/m 4 Với loại đất cát hạt trung sỏi sạn lẫn sét, chặt vừa đến chặt (trụ T3) 4.1 Khối lượng khung treo của búa rung m1 1350 kg 4.2 Tần số rung của búa rung f 42,48 Hz Hàm mục tiêu CFW 2,301 kW/m 5 Với loại đất sét pha màu xám nâu, trạng thái nửa cứng (trụ T3) 5.1 Khối lượng khung treo của búa rung m1 1500 kg 5.2 Tần số rung của búa rung f 20,19 Hz Hàm mục tiêu CFW 2,013 kW/m Hình 3.3. Đồ thị thể hiện quá trình tìm kiếm Hình 3.4. Đồ thị thể hiện quá trình tìm kiếm các các thông số hợp lý của búa rung với lớp đất thông số hợp lý của búa rung với sét pha màu cát hạt nhỏ màu xám đen, chặt vừa (trụ T2) xám nâu, trạng thái nửa cứng (trụ T2)
14 Để đánh giá sự hợp lý của thông số đã tìm được, luận án sử dụng chương trình tính xây dựng ở Chương 2 để chạy với các thông số hợp lý đã tìm được và các thông số ngẫu nhiên khác của búa rung để so sánh, kiểm chứng, qua đó khẳng định độ tin cậy của chương trình tính và kết quả đã thu được. Một số kết quả so sánh cụ thể: Hình 3.5. Dịch chuyển của cọc (khi f=30, 32 và 35Hz) a) Gia tốc của cọc tại t = 20 s b) Gia tốc của cọc tại t = 40 s Hình 3.6. Gia tốc dịch chuyển của cọc (khi f=30, 32 và 35Hz) a) Vận tốc dịch chuyển của cọc tại t=20s b) Vận tốc dịch chuyển của cọc tại t=40s Hình 3.8. Vận tốc dịch chuyển của cọc (khi f=30, 32 và 35Hz) a) Chuyển vị của cọc tại t = 20 s b) Chuyển vị của cọc tại t = 40 s Hình 3.10. Chuyển vị của cọc (khi f=30, 32 và 35Hz) a) Lực cản động thành cọc tổng thể theo thời gian b) Lực cản động thành cọc tại t=10 s c) Lực cản động thành cọc tại t=40 s Hình 3.12. Lực cản động thành cọc (khi f=30, 32 và 35Hz) a) Lực cản động mũi cọc tổng thể theo thời gian hạ cọc b) Lực cản động mũi cọc tại t=10 s c) Lực cản động mũi cọc tại t=40 s Hình 3.13. Lực cản động thành cọc (khi f=30, 32 và 35Hz) KẾT LUẬN CHƯƠNG 3 1. Xây dựng được hàm mục tiêu chi phí năng lượng riêng nhỏ nhất (công thức 3.17) để xác định các thông số kỹ thuật hợp lý của búa rung. 2. Đã xác định bộ thông số đầu vào (mục 3.2.1) và xây dựng được chương trình tính tổng quát xác định các thông số kỹ thuật hợp lý của búa rung để hạ cọc ván thép vào nền đất nhiều lớp, có quan tâm đến cơ chế tương tác phi tuyến của các thành phần lực cản động do các lớp đất tác dụng lên cọc ván thép trong quá trình làm việc (Phụ lục A.2). 3. Ứng dụng chương trình tính cho trường hợp cụ thể với búa rung thủy lực VH-QTUTC70 khi hạ cọc ván thép NSP-IIw vào nền đất tại trụ T2 và T3 công trình cầu Đồng Quang (Ba Vì, Hà Nội) và đã xác định được giá trị hợp lý của hai thông số kỹ thuật của búa rung là tần số rung (f) và khối lượng khung treo (m1), kết quả cụ thể như bảng 3.5. Bảng 3.5. Kết quả tần số rung (f) và khối lượng khung treo (m 1) hợp lý của búa rung Tên loại đất Khối lượng khung treo Tần số rung búa Lớp cát hạt nhỏ màu xám đen, chặt vừa m1 = 10001100 kg f = 32,2634,19 Hz Lớp cát hạt trung sỏi sạn lẫn sét, chặt vừa đến m1 = 1350 kg f = 42,48 Hz
15 chặt Lớp sét pha màu xám nâu, trạng thái nửa cứng m1 = 14001500 kg f = 20,1920,85 Hz 4. Đã kiểm chứng được sự hợp lý của kết quả tính toán vì khi búa rung VH-QTUTC70 hoạt động với bộ giá trị các thông số hợp lý (f, m1) đã tìm được ở trên, thì tốc độ hạ cọc là nhanh nhất (thời gian hạ cọc là nhỏ nhất) và lực cản động thành cọc do các lớp đất tác dụng lên cọc cũng có giá trị nhỏ nhất. CHƯƠNG 4. NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM QUÁ TRÌNH HẠ CỌC VÁN THÉP TẠI CÔNG TRÌNH CẦU ĐỒNG QUANG BẰNG BÚA RUNG DO VIỆT NAM CHẾ TẠO 4.1. Mục địch, đối tượng và các thông số thực nghiệm cần xác định 4.1.1. Mục đích nghiên cứu thực nghiệm - Xác định các thành phần lực cản động của nền đất tại vị trí hạ cọc lên cọc ván thép khi hạ cọc bằng búa rung thông qua việc đo đạc biến dạng của cọc ván thép ứng với các giá trị chiều sâu hạ, từ đó xác định được lực cản động của từng lớp đất lên cọc. - Xác định các thông số động lực học của hệ “búa rung - cọc ván thép - nền đất” trong quá trình làm việc thực tế. - Xác định hệ số chảy lỏng (đất sét), hệ số hóa lỏng (đất cát) phục vụ cho lý thuyết tính toán lực cản động của các loại đất tại vị trí thực nghiệm lên cọc ván thép. 4.1.2. Đối tượng nghiên cứu thực Sè vßng quay trôc §é dÞch KÕT QU¶ ®o trùc tiÕp Gia tèc Gia tèc BiÕn d¹ng cña cäc v¸n thÐp chuyÓn cña cäc cña nghiệm lÖch t©m theo thêi cña cäc theo thêi v¸n thÐp theo thêi khung treo theo theo chiÒu s©u h¹ cäc vµ thêi - Cần trục cơ sở Liebherr HS833HD; gian gian gian thêi gian gian TÇn sè Tèc ®é h¹ VËn tèc VËn tèc øng suÊt t¹i c¸c mÆt - Búa rung VH-QTUTC70; rung cña bóa cäc theo thêi gian dao ®éng cña cäc dao ®éng cña c¾t trªn cäc v¸n thÐp v¸n thÐp khung - Cọc ván thép NSP-IIw; theo thêi gian treo theo thêi gian Néi lùc t¹i c¸c mÆt c¾t trªn cäc v¸n thÐp - Điều kiện địa chất tại vị trí trụ T2, T3 ChuyÓn vÞ cña cäc ChuyÓn vi cña Lùc c¶n ®éng cña nÒn ®Êt cầu Đồng Quang (Ba Vì, Hà Nội). v¸n thÐp theo thêi gian khung treo theo thêi gian HÖ sè hãa láng, hÖ sè suy 4.1.3. Xác định các thông số cần đo KÕT QU¶ ®o gi¸n tiÕp gi¶m søc kh¸ng ®éng đạc thực nghiệm: Các thông số thực Hình 4.3. Sơ đồ các thông số cần xác định nghiệm cần xác đinh được thể hiện trong quá trình thực nghiệm như trên sơ đồ hình 4.3 4.2. Xây dựng mô hình thực nghiệm 11 10 Mô hình thực nghiệm thể hiện sơ đồ 13 12 P0 1. §iÓm g¾n ®Çu ®o gia tèc cña cäc Khèi l-îng bóa rung, m b = m1+m2 2, 6, 7, 8, 9. §iÓm g¾n c¸c ®Çu ®o biÕn tổng thể quá trình thực nghiệm và sơ Khung treo m1 d¹ng trªn cäc 3. C¸c v¹ch ®¸nh dÊu chiÒu dµi cäc 4. §iÓm g¾n ®Çu do biÕn d¹ng dù phßng trªn ®Çu cäc Tæng khèi l-îng cña hÖ, m tong = m1 + m2 +mc đồ bố trí các đầu đo như hình 4.6. Th©n bóa - ph©n g©y rung m2 Pkt 5. §iÓm g¾n ®Çu ®o gia tèc dù phßng cña cäc 10. Pu ly dÉn h-íng c¸p ®o ®é dÞch chuyÓn cña cäc 4.3. Xây dựng phương pháp đo Khèi l-îng ®éng, m d = m2 + mc M¸ kÑp cäc 11. Pu ly g¾n ®Çu ®o ®é dÞch chuyÓn cña mc cäc 1 12. §Çu ®o ®é dÞch chuyÓn cña cäc - Đo các thành phần lực cản động 2 4 13. §iÓm g¾n ®Çu ®o gia tèc khung treo 3 5 . thông qua đo ứng suất của cọc ván 6 h1 d1(  z2,...) Líp 1 d1 Rs1 . thép. d2( t2 z2,...) 7 h2 d2 Rs2 Líp 2 8 - Đo độ dịch chuyển của cọc ván thép bằng thiết bị đo độ dịch chuyển dài . Rsi Líp i di( ti z2,...) di hi 9 Rti Rotary encoder HE40B-6-1024-3-T- 24, thông qua việc đo độ dịch chuyển Hình 4.6. Mô hình thực nghiệm quá trình dài của dây cáp (độ dịch chuyển của hạ cọc ván thép bằng búa rung vào nền cọc ván thép). đất nhiều lớp - Đo số vòng quay trục gây rung bằng đầu đo tần số chớp DT-5TRX-RMTR - Đo gia tốc dao động của hệ bằng các đầu đo gia tốc kiểu áp điện.
16 1 4.4. Chế tạo cọc ván thép thử nghiệm 2 6 3 6 500 800 4 7 1300 5 1 1 Căn cứ cấu trúc địa chất tại vị trí thực 7 4 2 2 8 11 9 22 3 3 5 3 3 nghiệm (trụ T2, T3 cầu Đồng Quang), 8 9 10 11 12 luận án tiến hành chế tạo cọc ván thép thử 14500 nghiệm như trên hình 4.19. 4 4 6 4.5. Hiệu chuẩn thiết bị đo 7 4 4 4 1. Cäc v¸n thÐp thö nghiÖm 2. Hép ®Êu nèi tæng 6 3. TÊm èp ngang b¶o vÖ d©y tÝn hiÖu 4. Côm l¸ ®iÖn trë ®o biÕn d¹ng b¶n c¸nh ph¶i Tất cả các đầu đo và thiết bị đo trước 5 5 5000 5. §Çu ®o gia tèc dÞch chuyÓn cña cäc 6. Côm l¸ ®iÖn trë ®o biÕn d¹ng b¶n bông 7 4 7. Côm l¸ ®iÖn trë ®o biÕn d¹ng b¶n c¸nh tr¸i 8. §Çu ®o gia tèc dÞch chuyÓn cña cäc (PDA) 5 5 2500 9. §Çu ®o biÕn d¹ng (PDA) 10. TÊm èp däc b¶o vÖ d©y tÝnh hiÖu 6 khi làm thực nghiệm phải được hiệu chuẩn 11. D©y tÝn hiÖu cña c¸c côm l¸ ®iÖn trë 12. V¹ch chia x¸c ®Þnh ®é dÞch chuyÓn cña cäc 6 6 7 4 300 6 6 đơn vị có đủ năng lực kiểm định có thẩm quyền được cấp phép. Hình 4.19. Sơ đồ cấu tạo cọc ván thép 4.6. Công tác đo hiện trường thử nghiệm - Sơ đồ nguyên lý tích hợp toàn bộ đầu đo với thiết bị đo thể hiện trên hình 4.22. - Sơ đồ đấu nối đầu đo và thiết bị đo như trên hình 4.23. 3 Sè vßng ø ng suÊt ø ng suÊt ø ng suÊt ø ng suÊt §é dÞch Gia tèc Gia tèc Gia tèc Tæng lùc 4 vßng quay ph¸t sinh ph¸t sinh ph¸t sinh ph¸t sinh dÞch rung ®éng dÞch c¶n cña chuyÓn cña trôc trong th©n trong th©n trong th©n trong th©n chuyÓn cña khung chuyÓn nÒn ®Êt cña cäc 5 g©y rung cäc t¹i mÆt cäc t¹i mÆt cäc t¹i mÆt cäc t¹i mÆt ®Çu cäc treo bóa cña cäc t¸c dông vµo ®Êt c¾t 6-6 c¾t 5-5 c¾t 4-4 c¾t 1-1 vµ bóa lªn cäc 1. M¸y c¬ së 2. §-êng èng dÇu thñy lùc cÊp cho bóa rung 3. C¸p treo pulley dÉn h-íng c¸p ®o ®é dÞch chuyÓn cña cäc 6 4. Pulley dÉn h-íng c¸p ®o dÞch chuyªn cña cäc 5. C¸p ®o ®é dÞch chuyÓn cña cäc §Çu ®o §Çu ®o §Çu ®o §Çu ®o Bé ®o ®é §Çu ®o §Çu ®o §Çu ®o §Çu ®o 6. Mãc n©ng bóa 7. Khung treo cña bóa §Çu ®o biÕn d¹ng biÕn d¹ng biÕn d¹ng biÕn d¹ng dÞch chuyÓn gia tèc dao ®éng gia tèc biÕn d¹ng 7 8. Th©n bóa (phÇn g©y rung) sè vßng cäc vµn cäc vµn cäc vµn cäc vµn cña thiÕt cña thiÕt cña thiÕt cña thiÕt 2 9. §Çu ®o sè vßng quay trôc g©y rung cña cäc 8 10. M¸ kÑp cäc quay trôc thÐp mÆt thÐp mÆt thÐp mÆt thÐp mÆt bÞ VM bÞ VM bÞ PDA bÞ PDA 11. §Çu do gia tèc vµ biÕn d¹ng cña HE40B 9 thiÕt bÞ ®o PDA g©y rung c¾t 6-6 c¾t 5-5 c¾t 4-4 c¾t 1-1 12. §Çu ®o dao ®éng cña thiÕt bÞ VM5112-3 -6-1024- 5112/3 5112/3 10 13. §Çu ®o biÕn d¹ng cña thiÕt bÞ 3-T-24 SDA830B 11 14. D©y dÉn tÝn hiÖu ®o 12 15. §Çu ®o ®é dÞch chuyÓn cña cäc 13 Bé chuyÓn ®æi tÝn Hép ®Êu nèi tÝn hiÖu tæng 1 14 hiÖu Bé chuyÓn ®æi tÝn Bé tÝch ph©n tÝn hiÖu ®iÖn 15 hiÖu ®o Bé chuyÓn ®æi tÝn THIÕT BÞ §O dao THIÕT BÞ §O sè vßng quay ThiÕt bÞ ®äc hiÖu ®o cña trôc lÖch t©m ®éng VM5112/3 THIÕT BÞ §O §é DÞCH M¸Y TÝNH sè vßng quay Bé chuyÓn ®æi tÝn hiÖu ®o THIÕT BÞ §O BIÕN D¹NG SDA 830B CHUYÓN CñA CäC THIÕT BÞ §O PDA §IÖN Tö ThiÕt bÞ ®äc ThiÕt bÞ ®o biÕn trôc g©y ThiÕt bÞ ®o biÕn dù liÖu ®Çu d¹ng lín PDA rung èng b¶o vÖ d©y dÉn tÝn hiÖu tõ ®Çu ®o nh¸nh d¹ng SDA830B ®o (Dù phßng) ThiÕt bÞ ®o dao ®éng VM5112/3 Hình 4.22. Sơ đồ tổng thể quá trình M¸Y TÝNH §IÖN Tö thực nghiệm tại công trường Hình 4.23. Sơ đồ đấu nối đầu đo và thiết bị đo 4.7. Một số kết quả thực nghiệm - Đồ thị tốc độ hạ cọc và độ dịch chuyển của cọc ván thép: Hình 4.36. Tốc độ hạ cọc ván thép theo Hình 4.37. Dịch chuyển của cọc ván thép chiều sâu hạ cọc (lần 5, trụ T3) tại chiều sâu hạ cọc z =250 đến 280 mm (lần 1, f=15 Hz, trụ T2) Hình 4.44. Dịch chuyển của cọc ván thép Hình 4.45. Dịch chuyển của cọc ván tại chiêu sâu hạ cọc z =250 đến 280 mm thép tại chiêu sâu hạ cọc z =10,980 (lần 1, f=35 Hz, trụ T2) đến 10,990m (lần 1, f=35 Hz, trụ T2) - Gia tốc, vận tốc và chuyển vị thực nghiệm của cọc (xanh) và khung treo (đỏ): - Các thành phần lực cản động thực nghiệm của nền đất lên cọc ván thép:
17 Hình 4.52. Lực cản động mũi Hình 4.53. Lực cản động mũi Hình 4.54. Lực cản động cọc theo thời gian (f=35 Hz, từ 1 đến 2s mũi từ 80 đến 81s trụ T2) (f=35 Hz, trụ T2) (f=35 Hz, trụ T2) Hình 4.55. Lực cản động Hình 4.56. Lực cản động Hình 4.57. Lực cản động thành cọc theo thời gian thành cọc từ 1 đến 2s (f=35 thành cọc từ 80 đến 81s (f=35 Hz, trụ T2) Hz, trụ T2) (f=35 Hz, trụ T2) - Kết quả tính toán hệ số hóa lỏng và hệ số chảy lỏng của đất: Bảng 4.23. Tổng hợp hệ số hóa lỏng và hệ số chảy lỏng của các loại đất tại trụ T2 Lớp đất 1 (Cát hạt nhỏ, chặt vừa) Lớp đất 2 (Sét pha, nửa cứng) T Tần số, Ghi Hệ số hóa lỏng Hệ số hóa lỏng Hệ số chảy lỏng Hệ số chảy lỏng T Hz chú mũi cọc thành cọc mũi cọc thành cọc 1 15 0,43601 0,16808 0,33991 0,15663 2 20 0,38189 0,16729 0,35762 0,09306 3 25 0,29204 0,11057 0,46179 0,12552 4 30 0,26565 0,10853 0,34566 0,14052 5 35 0,16629 0,09307 0,15115 0,14578 Bảng 4.24. Tổng hợp hệ số hóa lỏng và hệ số chảy lỏng của các loại đất tại trụ T3 Lớp đất 1 (Cát hạt nhỏ, Lớp đất 2 (Cát hạt trung, Lớp đất 3 (Sét pha, nửa Tần rời rạc) sỏi sạn, chặt vừa) cứng đến chặt) Ghi T số, Hệ số hóa Hệ số hóa Hệ số hóa Hệ số hóa Hệ số chảy chú T Hz lỏng mũi lỏng thành lỏng mũi lỏng thành Hệ số chảy lỏng thành lỏng mũi cọc cọc cọc cọc cọc cọc 1 15 0,6478 0,1448 0,1908 0,1520 0,6683 0,2071 2 20 0,5658 0,1329 0,1787 0,1664 0,8657 0,1107 3 25 0,7772 0,1091 0,2471 0,1174 0,3700 0,1268 4 30 0,5339 0,1073 0,2432 0,1091 0,1729 0,1394 5 35 0,2316 0,1041 0,1157 0,1159 0,1810 0,1761 4.9. So sánh đánh giá giữa kết quả lý thuyết và kết quả thực nghiệm Để kiểm chứng giữa kết quả tính toán lý thuyết và kết quả nghiên cứu thực nghiệm, luận án sử dụng kết quả tính toán lý thuyết (Chương 2) và kết quả thực nghiệm (Chương 4) với trường hợp cụ thể (cọc ván thép NSP-IIw, búa rung VH-QTUTC70, nền đất nhiều lớp tại trụ T2 cầu Đồng Quang) để so sánh, đánh giá. b) Dịch chuyển lý thuyết của cọc (z=2m) c) Dịch chuyển thực nghiệm của cọc (z=2m) Hình 4.58. Dịch chuyển của cọc theo thời gian (trụ T2, f=30Hz)
18 Hình 4.59. Gia tốc dao động của cọc (trụ T2, f=30Hz) Hình 4.61. Vận tốc dao động của cọc (trụ T2, f=30Hz) Hình 4.63. Chuyển vị của cọc (trụ T2, f=30Hz) a) Lực cản động thành cọc theo thời gian hạ cọc b) Lực cản động thành cọc tại t = 5 s (lớp 1) c) Lực cản động thành cọc tại t=80s (lớp 2) Hình 4.65. Lực cản động thành cọc (trụ T2, f=30Hz) a) Lực cản động mũi cọc theo thời gian hạ cọc b) Lực cản động mũi cọc tại t=5s (lớp 1) c) Lực cản động mũi cọc tại t=80s (lớp 2) Hình 4.66 Lực cản động mũi cọc (trụ T2, f=30Hz) - Sai số giữa kết quả độ dịch chuyển lý thuyết và thực nghiêm của cọc: Bảng 4.25. Sai số giữa độ dịch chuyển lý thuyết và thực nghiệm Thời gian, s 10 20 30 40 50 60 70 80 Dịch chuyển lý thuyết, m 1,65 3,149 4,801 6,310 7,416 8,474 9,510 10,289 Dịch chuyển thực nghiệm, m 1,450 2,806 4,192 5,557 6,898 8,217 9,516 10,797 Sai lệch 12% 11% 13% 12% 7% 3% 0% -5% - Sai số giữa kết quả gia tốc dao động lý thuyết và thực nghiêm của cọc: Bảng 4.26. Sai số giữa gia tốc dao động lý thuyết và thực nghiệm Thời gian, s 10 20 30 40 50 60 70 80 Gia tốc lý thuyết, m/s2 199,38 214,80 199,67 201,25 206,45 196,23 207,46 211,07 Gia tốc thực nghiệm, 178,32 188,82 173,96 188,56 209,26 206,31 181,23 195,78 m/s2 Sai lệch 11% 12% 13% 6% -1% -5% 13% 7% - Sai số giữa kết quả vận tốc dao động lý thuyết và thực nghiêm của cọc: Bảng 4.27. Sai số giữa vận tốc dao động lý thuyết và thực nghiệm Thời gian, s 10 20 30 40 50 60 70 80 Vận tốc lý thuyết, m/s 0,875 0,938 0,820 0,718 0,820 0,795 0,786 0,731 Vận tốc thực nghiệm, m/s 0,861 0,908 0,831 0,800 0,716 0,696 0,687 0,547 Sai lệch 2% 3% -1% -11% 13% 12% 13% 13% - Sai số giữa kết quả chuyển vị lý thuyết và thực nghiêm của cọc: Bảng 4.28. Sai số giữa chuyển vị lý thuyết và thực nghiệm Thời gian, s 10 20 30 40 50 60 70 80 Chuyển vị lý thuyết, mm 3,108 2,967 2,924 3,378 2,566 2,208 1,898 1,356 Chuyển vị thực nghiệm, mm 3,390 3,198 3,017 2,925 2,385 1,934 1,708 1,314 Sai lệch -9% -8% -3% 13% 7% 12% 10% 3% - Sai số giữa kết quả lực cản động thành cọc lý thuyết và thực nghiêm:
19 Bảng 4.29. Sai số giữa lực cán động thành cọc lý thuyết và thực nghiệm Thời gian, s 30 40 50 60 70 80 Lực cản động thành cọc lý thuyết, kN 261,69 338,70 396,72 429,24 466,57 478,57 Lực cản động thành cọc thực nghiệm, kN 228,31 298,15 347,15 383,63 412,04 492,94 Sai lệch 13% 12% 12% 11% 12% -3% - Sai số giữa kết quả lực cản động mũi cọc lý thuyết và thực nghiêm: Bảng 4.30. Sai số giữa lực cản động mũi cọc lý thuyết và thực nghiệm Thời gian, s 30 40 50 60 70 80 Lực cản động mũi cọc lý thuyết, kN 17,13 26,84 26,84 26,84 26,84 26,84 Lực cản động mũi thực nghiệm, kN 14,90 23,42 23,45 23,48 23,56 23,60 Sai lệch 13% 13% 13% 13% 12% 12% KẾT LUẬN CHƯƠNG 4 1. Bằng thực nghiệm, đã đo được các thành phần lực cản động của các lớp đất tác dụng lên cọc ván thép trong quá trình hạ cọc, từ đó xác định được hệ số hóa lỏng và hệ số chảy lỏng của các lớp đất này dưới tác dụng của lực rung động. Các hệ số này là được sử dụng làm bộ số liệu đầu vào cho hệ "Búa rung - Cọc ván thép - Nền đất nhiều lớp" ở Chương 2 của luận án (kết quả như trong các bảng 4.23, 4.24). 2. Đã xác định được gia tốc, vận tốc và chuyển vị của các phần tử trọng hệ " Búa rung - Cọc ván thép - Nền đất nhiều lớp" trong quá trình làm việc thực tế ứng với các giá trị tần số của búa rung (kết quả như bảng 4.9 đến 4.13, Phụ lục C.3). Xác định được vận tốc hạ cọc và độ dịch chuyển của cọc ván thép theo thời gian trong trường hợp cụ thể (kết quả như trong các bảng 4.19, 4.20; các đồ thị từ hình 4.32 đến 4.36 và Phụ lục C.3). 3. Đã đánh giá được độ tin cậy của mô hình lý thuyết và chương trình tính toán mà luận án xây dựng được ở Chương 2 và Chương 3 bằng việc so sánh giữa kết quả tính toán lý thuyết với kết quả thực nghiệm, cụ thể cho thấy: - Kết quả so sánh các thông số động lực học lý thuyết và thực nghiệm với sai số nhỏ hơn 15%, như vậy có thể khẳng định tính đúng đắn của của mô hình tính lý thuyết và chương trình tính toán đã xây dựng ở Chương 2. - Kết quả so sánh các thành phần lực cản động lý thuyết và thực nghiệm với sai số nhỏ hơn 15%, từ đó cho thấy mô hình và lý thuyết tính toán các thành phần lực cản động đối với các lớp đất cát và các lớp đất sét đã chọn ở Chương 2 là đúng. KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 1. KẾT LUẬN Thông qua kết quả nghiên cứu, luận án đưa ra một số kết luận sau: 1. Trên cơ sở nghiên cứu hệ “Búa rung - Cọc ván thép - Nền đất nhiều lớp”, luận án đã xây dựng được mô hình động lực học, sơ đồ thuật toán, đã lựa chọn được mô hình đất và mô hình toán xác định các thành phần lực cản động của nền đất lên cọc ván thép đối với các lớp đất cát và các lớp đất sét từ đó lập được chương trình tính toán trên phần mềm Matlab như trong Phụ lục A.1. 2. Đã ứng dụng chương trình tính cho trường hợp cụ thể đối với búa rung thủy lực VH- QTUTC70, cọc ván thép mặt cắt chữ U (loại NSP-IIw) và nền đất nhiều lớp tại trụ T2 và T3 công trình cầu Đồng Quang (Ba Vì, Hà Nội), trên cơ sở sử dụng hệ số hóa lỏng và hệ số chảy lỏng của các loại đất (được xác định bằng thực nghiệm ở Chương 4), các kết quả nhận được cho thấy sự tương đồng giữa kết quả tính toán lý thuyết với kết quả thực nghiệm với sai số nhỏ hơn 15%. 3. Xây dựng được phương pháp xác định các thông số hợp lý của búa rung hạ cọc ván thép vào nền đất nhiều lớp, gồm xác định hàm mục tiêu theo chi phí năng lượng riêng nhỏ nhất, xây
20 dựng sơ đồ thuật toán và chương trình tính toán trên phần mềm Matlab như trong Phụ lục A.2. 4. Đã áp dụng chương trình tính cho trường hợp cụ thể, từ đó xác định được giá trị hợp lý của hai thông số tiêu biểu (f và m1) của búa rung thủy lực VH-QTUTC70 khi hạ cọc ván thép NSP- IIw vào một số loại đất tại trụ T2 và T3 công trình cầu Đồng Quang (Ba Vì, Hà Nội). Kết quả được tổng hợp như bảng sau: Tên loại đất Khối lượng khung treo Tần số rung của búa Lớp cát hạt nhỏ màu xám đen, chặt vừa m1 = 10001100 kg f = 32,2634,19 Hz Lớp cát hạt trung sỏi sạn lẫn sét, chặt vừa đến chặt m1 = 1350 kg f = 42,48 Hz Lớp sét pha màu xám nâu, trạng thái nửa cứng m1 = 14001500 kg f = 20,1920,85 Hz 5. Bằng nghiên cứu thực nghiệm đã xác định được 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) theo tần số với trường hợp cụ thể là búa rung thủy lực VH-QTUTC70 và cọc ván thép NSP-IIw. Kết quả cụ thể các hệ số thực nghiệm này được tổng hợp trong bảng sau: Tấn số (f) 15 20 25 30 35 Hệ số thực nghiệm Loại đất Hz Hz Hz Hz Hz 0,436  0,382  0,292  0,266  0,167  Mũi cọc Lớp cát hạt nhỏ màu xám Hệ số hóa 0,648 0,566 0,777 0,534 0,232 đen, rời rạc lỏng 0,145  0,133  0,109  0,107  0,093  Thành cọc 0,168 0,167 0,111 0,109 0,104 Lớp cát hạt trung sỏi sạn Hệ số hóa Mũi cọc 0,191 0,179 0,247 0,243 0,116 lẫn sét, chặt vừa đến chặt lỏng Thành cọc 0,152 0,166 0,117 0,109 0,116 0,334  0,358  0,370  0,173  0,151  Mũi cọc Lớp sét pha màu xám Hệ số 0,668 0,866 0,462 0,346 0, 181 nâu, trạng thái nửa cứng chảy lỏng 0,157  0,093  0,126  0,139  0,146  Thành cọc 0,207 0,111 0,127 0,141 0,176 2. KIẾN NGHỊ VÀ HƯỚNG NGHIÊN CỨU TIẾP THEO 1. Ứng dụng kết quả bài toán xác định các thông số kỹ thuật hợp lý của búa rung để tiến hành tối ưu hóa về kết cấu, hình dạng của búa rung chế tạo trong nước. 2. Nghiên cứu ứng dụng kết quả và phát triển chương trình tính xác định các thông số hợp lý của búa rung vào bài toán điều khiển búa rung linh hoạt theo tải bằng cách thay đổi tần số rung và khối lượng khung treo (gia tải với kiểu treo mềm hoặc tăng lực ấn với kiểu treo cứng) theo tổng trở lực cản của nền đất. 3. Phát triển hướng nghiên cứu của luận án theo hướng điều chỉnh linh hoạt thông số mô men lệch tâm của búa rung thủy lực trong quá trình làm việc bằng cách thay đổi số đôi cặp bánh lệch tâm tham gia vào quá trình tạo lực rung động của búa rung, điều đó cho phép điều khiển búa rung thủy lực linh hoạt hơn (điều khiển tần số độc lập với điều khiển giá trị lực rung động), do đó hiệu quả sử dụng búa sẽ tăng lên và phát huy triệt để chương trình tính tối ưu theo thuật giải di truyền. 4. Phát triển hướng nghiên cứu của luận án theo hướng ứng dụng lý thuyết mô phỏng và lý thuyết phần tử hữu hạn để tiến hành xây dựng chương trình tính toán, mô phỏng quá trình hạ cọc thép vào nền đất nhiều lớp bằng búa rung (lực rung động).