MỞ ĐẦU 1. Tính cấp thiết của đề tài Ở Việt Nam hiện nay, cùng với sự tăng trưởng mạnh của nền kinh tế, nhu cầu về cơ sở hạ tầng cũng được tăng lên nhanh chóng: những con đường, khu đô thị, khu công nghiệp hay trung tâm thương mại mới đang được xây dựng ngày càng nhiều hơn. Theo thống kê của Bộ Xây dựng, số lượng nhà cao tầng, chung cư trên cả nước ngày càng tăng và chiếm một tỉ lệ đáng kể trong cơ cấu về diện tích nhà ở. Tại Hà Nội, nhà chung cư chiếm tỉ lệ tới 16,64%, TP.HCM chiếm 6,13%, Hải Phòng và Đà Nẵng xếp kế tiếp với tỉ lệ lần lượt là 5,8% và 2,1%.
Nhiều dự án lớn đã và đang được tiếp tục triển khai, điển hình là hệ thống các dự án dọc đại lộ Thăng Long, như dự án khu đô thị mới Tây Mỗ - Đại Mỗ, Spendora, Geleximco, Him Lam Riverside, Sunrise City, Tân Phước Tower, Lexington, Tropic Garden,v. Bên cạnh đó, hàng trăm dự án nhà cao tầng, chung cư tiếp tục được triển khai tại các quận, huyện khác của các đô thị lớn trong phạm vi cả nước. Do đó, công việc xử lý nền móng đang được đặc biệt quan tâm nhằm đảm bảo chất lượng cho công trình đồng thời tăng tiến độ thi công, đem lại hiệu quả kinh tế. Rất nhiều loại thiết bị máy móc đang được sử dụng cho công việc thi công nền móng bằng cách ép các loại cọc bêtông cốt thép đúc sẵn hay các loại cọc thép vào trong nền móng.
Một trong những loại máy đang được sử dụng với số lượng lớn và hiệu quả là máy ép cọc thủy lực di chuyển bước, do ưu điểm của nó là ép cọc vào nền nhanh, lực ép cọc lớn mà không gây rung, quá trình ép diễn ra êm và không ồn, không ảnh hưởng đến các công trình xung quanh. Tuy nhiên, hầu hết các chủng loại máy ép cọc thủy lực di chuyển bước đang được sử dụng hiện nay tại Việt Nam đều được nhập khẩu từ nước ngoài với chi phí khá cao. Bên cạnh đó, các đơn vị sản xuất trong nước chưa có nhiều cơ sở khoa học để tính toán, thiết kế và chế tạo loại thiết bị này. Một trong những vấn đề cần quan tâm là việc nghiên cứu động lực học của máy ứng với các trạng thái làm việc điển hình như quá trình cẩu cung cấp cọc, quá trình kẹp cọc hay quá trình ép, nhổ cọc,.
Việc nghiên cứu động lực học của quá trình cung cấp cọc cho phép xác định lực động phát sinh trong cáp, lực động tác dụng vào các chân chống, còn nghiên cứu động lực học quá trình ép cọc và quá trình di chuyển máy cho phép xác định áp suất động trong các xi lanh thủy lực sẽ làm cơ sở khoa học cho việc tính toán, thiết kế tối ưu thiết bị dựa trên cơ sở tính 2 toán động, tính toán mỏi, tuổi thọ và ổn định của thiết bị, đồng thời cũng cho phép xác định các thông số kỹ thuật hợp lý của máy theo quan điểm động lực học. Do đó, việc nghiên cứu động lực học của máy trong điều kiện thi công tại Việt Nam giúp cho quá trình tính toán thiết kế chính xác hơn, khuyến nghị được các thông số kỹ thuật hợp lý (thông số kết cấu và thống số làm việc), tăng hiệu quả trong thiết kế, chế tạo và sử dụng thiết bị trong nước. Vì vậy, đề tài “Nghiên cứu động lực học của máy ép cọc thủy lực di chuyển bước trong thi công các công trình xây dựng ở Việt Nam” được đặt ra là một yêu cầu cấp thiết. Mục tiêu của đề tài Đề tài nghiên cứu động lực học của máy ép cọc thủy lực di chuyển bước trong điều kiện thi công các công trình xây dựng ở Việt Nam để tìm ra quy luật thay đổi của các thông số động lực học trong các trường hợp làm việc điển hình của máy.
Dựa trên các kết quả nghiên cứu đã thu được, luận án khuyến nghị một số thông số kỹ thuật hợp lý của máy theo quan điểm động lực học. Kết quả nghiên cứu của đề tài luận án có thể sử dụng làm tài liệu tham khảo có ích cho việc tính toán, thiết kế, chế tạo cũng như khai thác sử dụng máy ép cọc di chuyển bước ở Việt Nam. Đối tượng nghiên cứu và phạm vi nghiên cứu a) Đối tượng nghiên cứu: Máy ép cọc thủy lực di chuyển bước sử dụng trong thi công các công trình xây dựng ở Việt Nam. b) Phạm vi nghiên cứu: Máy ép cọc thủy lực di chuyển bước có lực ép 400 ÷ 1000 Tấn sử dụng trong thi công các công trình xây dựng ở Việt Nam.
Phương pháp nghiên cứu Nghiên cứu lý thuyết kết hợp với thực nghiệm và khảo sát, cụ thể như sau: a) Về lý thuyết: - Khảo sát, đánh giá tổng quan về nền móng công trình và thiết bị liên quan. - Nghiên cứu động lực học quá trình cung cấp cọc cụ thể là: Xây dựng mô hình ĐLH của máy, thiết lập các hệ phương trình vi phân, giải các phương trình vi phân để xác định các thông số động lực học của máy. - Nghiên cứu động lực học hệ thống truyền động thủy lực cụ thể là: Xây dựng các mạch thủy lực của máy ép cọc, các hệ phương trình vi phân, giải các phương trình vi phân để xác định các thông số động lực học hệ thống thủy lực của máy. b) Về thực nghiệm: 3 Tiến hành đo đạc thực nghiệm để khẳng định độ tin cậy, độ chính xác của mô hình lý thuyết và xác định một số thông số đầu vào cho việc giải mô hình ĐLH.
c) Về khảo sát: Khảo sát các yếu tố ảnh hưởng đến đặc trưng ĐLH, làm cơ sở khuyến nghị các thông số hợp lý (thông số kết cấu và thông số làm việc) của máy ép cọc thủy lực di chuyển bước theo quan điểm động lực học. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án a. Ý nghĩa khoa học: - Tác giả đã nghiên cứu xây dựng bài toán động lực học của máy ép cọc thủy lực di chuyển bước khi hệ thống cần trục cung cấp cọc làm việc và nghiên cứu xây dựng bài toán động lực học của các phần tử thủy lực thuộc máy ép trong quá trình ép cọc và di chuyển máy. Nghiên cứu này giúp cho việc xác định các thông số động lực học của mô hình trong quá trình cung cấp cọc như chuyển vị, vận tốc, gia tốc, lực căng cáp động, lực động tác dụng vào các chân chống máy và trong quá trình ép cọc, di chuyển máy như áp suất động, vận tốc, lưu lượng, độ dịch chuyển của cọc và máy.
Từ đó, đã đưa ra các giá trị hệ số động tương ứng với các quá trình làm việc của máy. Các kết quả nghiên cứu thu được đóng góp một phần có ích cho việc tính toán, thiết kế tối ưu thiết bị dựa trên cơ sở tính toán động, tính toán mỏi, tuổi thọ và ổn định của thiết bị. - Quá trình thực nghiệm trên một máy ép cọc thủy lực di chuyển bước đang làm việc tại công trường với các thiết bị đo đạc hiện đại và qui trình thực nghiệm hợp lý đã khẳng định được độ tin cậy của mô hình lý thuyết và là cơ sở để xây dựng phương pháp thực nghiệm trên các loại máy ép cọc thủy lực khác. - Tác giả đã xây dựng được chương trình mô phỏng của máy ép cọc thủy lực di chuyển bước trong trường hợp làm việc tổng quát và các trường hợp điển hình.
Bằng các chương trình mô phỏng đó, luận án đã khảo sát được các yếu tố ảnh hưởng đến đặc trưng động lực học của máy và từ đó khuyến nghị các thông số kỹ thuật hợp lý (thông số kết cấu và thông số làm việc) của máy ép cọc thủy lực di chuyển bước theo quan điểm động lực học. Ý nghĩa thực tiễn: - Các kết quả nghiên cứu của luận án có thể giúp cho các đơn vị chế tạo hay khai thác máy ép cọc thủy lực di chuyển bước tham khảo trong việc cải tiến thiết kế, chế tạo ra các máy ép cọc thủy lực có chỉ tiêu kính tế - kỹ thuật cao. 4 - Kết quả nghiên cứu của luận án có thể sử dụng làm tài liệu tham khảo có ích phục vụ cho công tác đào tạo thuộc lĩnh vực máy ép cọc thủy lực. Điểm mới của luận án - Luận án đã xây dựng được mô hình ĐLH máy ép cọc thủy lực di chuyển bước ở các trường hợp làm việc điển hình nâng cọc có kể đến độ chùng cáp và vừa nâng cọc vừa quay bằng mô hình ĐLH trong không gian.
Đồng thời, luận án cũng đã xây dựng được mô hình ĐLH hệ thống TĐTL của cơ cấu kẹp cọc, ép cọc và di chuyển dọc máy. Ứng dụng thành công phần mềm Matlab-Simulink đề giải phương trình chuyển động phi tuyến nhiều bậc tự do. - Luận án đã xác định được các đặc trưng dao động, lực căng cáp động, lực động tác dụng vào các chân máy theo góc quay của mâm quay, áp suất động trong các xi lanh thủy lực, hệ số động ứng với các trường hợp làm việc bất lợi của loại máy ép cọc nghiên cứu. - Tiến hành thực nghiệm máy ép cọc thủy lực di chuyển bước làm việc theo điều kiện thực tế với các trường hợp làm việc điển hình của máy như nâng cọc có kể đến độ chùng cáp, vừa nâng cọc vừa quay, kẹp cọc, ép cọc và di chuyển dọc của máy.
- Luận án đã xây dựng qui trình xác định các thông số kỹ thuật hợp lý của máy ép cọc thủy lực di chuyển bước trong thi công các công trình xây dựng ở Việt Nam theo quan điểm động lực học và áp dụng để xác định được bộ thông số hợp lý (thông số kết cấu và thông số làm việc) của máy ép cọc thủy lực di chuyển bước cụ thể là máy ZYJ86B (Bảng 4. Quy trình này cũng có thể áp dụng cho loại máy ép cọc thủy lực di chuyển bước khác. Bố cục của luận án Luận án được sắp xếp theo các nội dung sau: Mở đầu Chương 1: Tổng quan về vấn đề nghiên cứu Tổng quan về công tác thi công nền móng công trình, các công nghệ thi công cọc, giới thiệu chung về máy ép cọc thủy lực di chuyển bước phục vụ việc thi công cọc, đặc điểm khai thác sử dụng của thiết bị này, tình hình thiết kế chế tạo loại máy ép cọc này ở Việt nam. Tổng kết, đánh giá các công trình nghiên cứu đã đạt được trong lĩnh vực nghiên cứu động lực học của máy và động lực học của hệ thống thủy lực.