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

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


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
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,

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

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)
Báo cáo nghiên cứu khoa học sinh viên 2013 - 2014
Nhóm sinh viên thực hiện Cơ Giới Hóa K52
11 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- Mũi khoan
chuyên dung;14- Cân cộng dồn phụ gia; 15- Cân điện tử xi măng; 16- Cân điện tử
nước.

Báo cáo nghiên cứu khoa học sinh viên 2013 - 2014
Nhóm sinh viên thực hiện Cơ Giới Hóa K52

Theo công thức 1.2 [ 4 ] của GS.VS N.G.Dombrovski ta có:
Lực cản cắt thuần túy: P
0
=P
01
+P
02
(N)
Trong đó:
P
0
: Lực cản cắt thuần túy
P
01
:Lực cản tiếp tuyến
P
02
:Lực cản pháp tuyến
2.1.1 Xét 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:P
01
= K.K
2
.B.h
K: Hệ số xét đến số số răng cắt đất trên cánh tay cắt, với K ≤ 1, chọn K = 1
K
2
: Hệ số cắt đất thuần túy. Chọn loại đất trong trường hợp này là đất cấp IV

nên ta có:
P
0
x
= P
01
x
- P
02
x
= 1612,2 - 483,6 = 1128,6 N
P
0
y
= P
01
y
+ P
02
y
=1612,2 + 483,6 = 2095,8 N
Nhận xét: Theo sơ đồ ta thất lực tác dụng vào cánh tay cắt gồm có lực P
0
x
và P
0
y

trong đó tác dụng lực cắt đất là P
0

lên
= 50÷100 vòng/phút → chọn n
lên
= 60 vòng/phút có β = 4
Thay số ta có lực cản tác dụng vào cánh tay cắt lúc đi xuống là:
P = . = 14333,1 N
Báo cáo nghiên cứu khoa học sinh viên 2013 - 2014
Nhóm sinh viên thực hiện Cơ Giới Hóa K52
15

Do có 2 cánh tay cắt đất nên lực cản là:
= 2.P = 2. 14333,1 = 28666,2 N
Mô men cản cắt của cánh tay cắt là: M
c
c
= . x
0
= 28666,2.0,225 = 6450 N.m
*Xét cánh tay xới đất
a. Tính lực trên lƣỡi xới
Lực cản tiếp tuyến
P
01
= K.K
2
.B.h= 2.30.4 = 240 N
Ta có: P
02
= ψ.P
01

01
x
- P
02
x
= 240-72 = 168 N
P
0
y
= P
01
y
+ P
02
y
=240 +72 = 312 N
Do có 2 cánh tay cắt nên lực cản sẽ là:
P
c
c
=2.P = 2. 312 = 624 N
Nhận xét : Lực tác dụng vào cánh tay xới gồm có lực P
0
x
và P
0
y
trong đó tác
dụng lực xới đất là P
0

0
= 4267,2.0,225 = 960,1 N.m
Lực tác dụng ngược lại từ nền đất lên mũi khoan là:
P
pl
= P
c
y
+ P
x
y
= 4191,6 + 624 = 4815,6 N
Lực cản tổng cộng lúc đi xuống là:
P
∑
= + P
c
x
=28666,2 + 960,1 = 29626,3 N
Mô men cản tổng hợp là:
M
c
= M
c
c
+ M
c
x
= 6450 + 960,1 = 7410,1 N
Công suất cần thiết để quay mũi khoan lúc đi xuống là:

h: Chiều dầy phoi đất cắt chọn h =12 mm = 1,2 cm
Vì cánh tay cắt đặt nghiêng 1 góc α=45
0
nên ta có các thành phần lực:
P
01
x
= P
01
.cosα = 36.cos 45
0
= 25,4 N
P
01
y
= P
01
.sinα = 36.sin 45
0
= 25,4 N
P
02
x
= P
02
.cosα = 10,8.cos 45
0
= 7,6 N
P
02

= 25,4 + 7,6 = 33 N
Nhận xét : Lực tác dụng vào cánh tay cắt gồm có lực P
0
x
và P
0
y
trong đó
tác dụng lực cắt đất là P
0
x
và lực đẩy lưỡi cắt ngược trở lại là P
0
y
.
b. Tính lực cản lên tay cắt:
Lực cản tác dụng vào cánh tay cắt lúc đi lên là:
P = . = 6280 N
Do có 2 cánh tay cắt đất nên lực cắt là:
= 2.P = 2. 6280 = 12560 N
Tọa độ điểm đặt lực:
x
0
= . = 0,225 m
Mô men cản cắt là:
M
c
c
= . x
0

02
= ψ.P
01
= 0,3.36 = 10,8 N
Vì cánh tay xới đặt vuông góc với mũi khoan ta có các thành phần lực:
P
01
x
= P
01
y
= P
01
= 36 N
P
02
x
= P
02
y
= P
02
= 10,8 N
Tại 1 điểm trên cánh tay cắt chịu đồng thời cả 2 lực P
01
và P
02
nên ta có:
P
0

y

b.Tính lực trên cánh tay xới đất:
Báo cáo nghiên cứu khoa học sinh viên 2013 - 2014
Nhóm sinh viên thực hiện Cơ Giới Hóa K52
19

Lực cản đất tác dụng vào cánh tay xới đất lúc đi lên là:
P = . = 8890 N
Do có 2 cánh tay xới nên lực cản sẽ là:
P
c
x
=2.P = 2.8890 = 17780 N
Mô men cản tổng hợp tác dụng vào mũi khoan lúc rút lên là:
M
c
= M
c
c
+ M
c
x
= 2826 + 4000,5 = 6826,5 N
Lực tác dụng ngược lại từ nền đất lên mũi khoan đi lên là:
P
pl
= P
c
y

6- Đệm vênh Ø150; 7- Cánh tay xới; 8- Lỗ phun vữa; 9- Ống dẫn vữa; 10- Vấu liên
kết; 11- Lỗ chốt
Sau khi lắp ráp ta có mô hình tổng thể mũi khoan đã chế tạo như sau:
Thông số
Giá trị
Đường kính
600 mm
Chiều dài
1500 mm
Vật liệu
cánh tay cắt
thép 45X
cánh tay xới
thép 35
Góc ngiêng cánh tay
45 độ
Trọng lượng
300 kG
Công suất dẫn động
42,87 kW

Báo cáo nghiên cứu khoa học sinh viên 2013 - 2014
Nhóm sinh viên thực hiện Cơ Giới Hóa K52
21 Hình 2.5 Bộ công tác 2 mũi khoan
2.2Tính chọn động cơ dẫn động cơ cấu khoan.
Theo tính toán của phần lực cắt đất ta có công suất cần thiết dẫn động mũi
khoan là: N = 42,87 kW

N = 55 kW
Lực vòng
F
a
= 90,1 kN
Khối lượng
M = 862 kg
Dài
L = 1564 mm
Tỷ số truyền
i = 43
Rộng
B = 814 mm
Lực hướng tâm
F
r
= 49,8 kN
Cao
H = 752 mm

2.3 Tính cột dẫn động khoan:
-Cột cao 15000 mm
-Đường kính ngoài 150 mm
-Đường kính trong 50 mm
-Nặng 800kg.
Trục mũi khoan là đoạn ống thép đặc có lỗ tròn ở giữa đường kính d = 50
mm để dẫn vữa xi măng đi xuống.
Ta có mô hình như sau:

Hình 2.5 Cấu tạo cột dẫn động khoan

cơ điện
Đặc điểm của thiết bị lắp trên máy đào:
+ Ưu điểm:
- Giá thành rẻ do tận dụng được máy cơ sở và thiết bị cột dẫn hướng có sẵn
rất nhiều trong nước.
- Chế tạo đơn giản, thích hợp với công trình nhỏ và vừa.
- Lắp dựng và tháo dỡ nhanh, vận chuyển dễ dàng.
- Tính cơ động cao, di chuyển dễ dàng.
- Di chuyển dễ dàng, không cần sử dụng thép lót cho máy khoan.
- Tăng khả năng làm việc cho máy khoan nhờ động cơ điện xoay chiều 3
pha.
Báo cáo nghiên cứu khoa học sinh viên 2013 - 2014
Nhóm sinh viên thực hiện Cơ Giới Hóa K52
24

Bảng 1: Một số loại máy đào có thông số phù hợp
Hãng sản
xuất
Model
Hạng mục
Đơn vị
Thông số
Caterpillar
( CAT)
328D LRC
Loại


m3
2,2
Công suất ước định
kW
184
Chiều dài tay gàu
mm
3200
Dung tích xi lanh
lít
7,80
Trọng lượng
Kg
33400
Khả năng đào sâu
mm
8090
Tầm vươn xa nhất
mm
11640
Báo cáo nghiên cứu khoa học sinh viên 2013 - 2014
Nhóm sinh viên thực hiện Cơ Giới Hóa K52
25

Tầm cao đổ tải
mm
7640
Komatsu
PC340NLC
Loại

Dung tích gầu
m3
2,31
Công suất ước định
kW
184
Chiều dài tay gàu
mm
2600
Dung tích xi lanh
lít
7,40
Trọng lượng
Kg
33830
Khả năng đào sâu
mm
8180
Tầm vươn xa nhất
mm
11900
Tầm cao đổ tải
mm
7490
Hitachi
ZX350LC
Loại

Bánh xích
Dung tích gầu