Thiết kế máy đóng cọc & rung

chất phức tạp, riêng giá thành xây dựng móng đã có thể chiếm tới 35 - 45% tổng giá thành công trình (mức trung bình cũng vào khoảng 24 - 30%). Trong đó riêng vật liệu xây dựng móng chỉ chiếm 20 - 30%, phần còn lại là chi phí cho nhân lực và trang thiết bị công nghệ thi công. Về phương diện thời gian, xây dựng móng nói chung và xây dựng móng cầu nói riêng thường chiếm qúa nửa thời gian xây dựng toàn công trình. Những năm gần đây, nhiều công nghệ mới trong thi công nền móng đã xuất hiện, thay thế một số phương thức thi công cũ, tốn kém tiền của, kéo dài thời gian và thiếu an toàn lao động. Tuy nhiên không phải tất cả các loại móng nói chung móng cầu nói riêng điều áp dụng hiệu quả với công nghệ mới. Vì thế, những giải pháp thi công truyền thống và kinh điển vẩn áp dụng một cách hữu hiệu, nhất là những công trình cầu vừa và nhỏ. Những công trình này là chiếm một tỷ lệ lớn trong các tuyến đường địa phương và quốc lộ. Trong đó số móng cọc chiếm đại bộ phận, sau là móng nông và móng giếng chìm. Để giúp chúng ta có một kiến thức tổng hợp về công nghệ và kỹ thuật thi công móng, bằng những thiết bị máy móc hiện đại để mang lại những lợi ích kinh tế (đạt được năng xuất, hiệu quả, chất lượng cao). Nhất là trong công cuộc đổi mới nước ta hiện nay rất nhiều công trình đã và đang được xây dựng. đặc biệt là ở các thành phố lớn như Thành Phố Hồ Chí Minh, Hà Nội, và các các Thành Phố lớn khác, đang ra sức tiến hành xây những cơ sở hạ tầng như đường xá, nhà ga, bến tầu, khách sạn, sân vận động, sân bay. Một trong những công tác không thể thiếu được của việc xây dựng là xử lý nền móng, cụ thể là công tác đóng, hạ cọc. Mỗi công trình cần hàng trăm đến hàng vạn cọc . Như vậy nhu cầu đóng cọc ở nước ta là rất lớn. Vì vậy nhu cầu của máy móc thiết bị phục vụ cho công tác xây dựng là rất lớn và không thể thiếu được trong bất cứ công trình xây dựng nào. Do vậy trong đồ án này, cũng với sự hiểu biết về máy xây dựng. Em xin mạnh dạn tiến hành tính toán thiết kế “ máy đóng cọc va rung”. Nội dung thuyết minh sẽ trình bày các phần gồm các chương: - Các phương án đóng hạ cọc. Giới thiệu máy thiết kế. - Cơ sở lý thuyết tính toán máy đóng cọc va rung . - Tính toán các thông số động học và chọn công suất động cơ của máy va rung. - Thiết kế và tính bền các chi tiết chính của máy va rung đã chọn. Vì khối lượng công việc lớn nên trong quá trìng tiến hành trắc không thể tránh được sai sót. Em mong được sự chỉ dẫn giúp đỡ của các thầy, cô. Cuối cùng em xin cảm ơn các thầy. Chương I Xây dựng phương án đóng hạ cọc bằng rung. Giới thiệu máy thiết kế I. Giới thiệu về công tác đóng, hạ cọc 1.Giới thiệu về cọc. Trong công cuộc đổi mới nước ta hiện nay rất nhiều công trình đã và đang và sẽ được xây dựng. Đặc biệt là ở Hà Nội, Thành Phố Hồ Chí Minh và các thành phố lớn khác đang ra sức tiến hành xây những cơ sỡ hạ tầng như đường xá, nhà ga, bến tầu, khách sạn, sân vận động, sân bay . Một trong những công tác không thể thiếu được của việc xây dựng là xử lý nền móng, cụ thể là công tác đóng, hạ cọc. Mỗi công trình cần hàng trăm đến hàng vạn cọc. Như vậy nhu cầu đóng cọc ở nước ta là rất lớn. Cọc có rất nhiều loại: + Căn cứ vào đặc tính làm việc của cọc có : Cọc trống Cọc treo (cọc ma sát) + Căn cứ vào vật liệu làm cọc thì có các loại sau: Cọc tre Cọc gỗ Cọc bê tông cốt thép. Được dùng phổ biến và sử dụng nhất hiện nay là cọc bê tông cốt thép. Chiều rộng (a) của cọc thường từ 50-300 mm hoặc có thể lớn hơn, chiều dài L thường từ 6 -18 m . 2.Cách hạ cọc. Để đóng, hạ cọc có các phương pháp: Va đập Rung động. ép - Các phương pháp kết hợp : Va rung (rung kết hợp với va đập) 3. Thiết bị hạ cọc. 3.1. Máy cơ sở: Các máy cơ sở thường dùng là Máy kéo, Ôtô, Cần trục xích, Cần trục ôtô, Máy súc. 3.2. Giá búa: Là thiết bị công tác dùng để phục vụ các thao tác: Đóng cọc, cẩu cọc, chỉnh cọc, cẩu và dẫn hướng quả búa khi đóng cọc. Trên thực tế giá búa được sử dụng rất đa dạng, tuỳ thuộc vào công nghệ đóng cọc. Đơn giản nhất là sử dụng cần trục, có giá cần đóng búa treo (không có dẫn hướng), cách này sử dụng khá phổ biến tại các tỉnh miền nam, tuy nhiên năng suất thấp, khó đóng cọc xiên và hay dùng để đóng cọc thép hoặc cọc ván thép. Người ta thường dùng quả búa thuỷ lực hoặc rung để đóng, búa treo trên những cần trục thông thường ( chỉ có một móc cẩu ) do khả năng khởi động từ xa của quả búa, còn khi dùng quả búa diêzen cần trục phải có hai móc cẩu (một móc cẩu giữ, cẩu quả búa còn móc kia kéo pít tông khởi động nổ quả búa). Để tăng khả năng đóng búa treo nhất là trong các trường hợp không thể dùng các thiết bị đóng cọc khác ( đóng cọc lớn ở điều kiện thời tiết khắc nhiệt : sóng, gió, dòng chảy lớn..) người ta thiết kế thêm thiết bị dẫn hướng lắp trên sàn đạo có thể xoay bốn phía với bốn góc nghiêng khác nhau cho phép đóng cọc xiên theo các chiều khác nhau. Sàn đạo được chế tạo theo mođun, lắp trên các đầu cọc bằng chính cần trục phục vụ đóng cọc, nhờ vậy có thể đóng cọc dọc chiều dài tuyến mà không cần thiết bị hỗ trợ khác. Giá búa bao gồm các bộ phận chủ yếu sau: + Bệ gía búa : Gồm khung sàn, có thể di động theo đường ray đặt trên mặt đất, trên sàn giáo hoặc phao nổi, một số gía búa có thể quay 3600 xung quanh trục đứng, bản thân bánh răng cũng có thể quay trục đứng và điều chỉnh được cao độ. + Khung giằng: Để giữ cần giá búa, thường cấu tạo bởi thép ống và thép hình tạo thành một khung không gian hình tháp, hoặc kết hợp với cột dẫn cọc thành kết cấu có dạng cần trục. Đơn giản hơn khung giằng chỉ gồm hai thanh chống bằng thép ống, điều chỉnh được chiều dài khi đóng cọc xiên âm hoặc dương. + Cần giá búa hoặc cột dẫn gồm hai thanh so đũa song song, kéo dài từ bệ khung sàn tới đỉnh giá búa, dùng để dẫn hướng búa và cọc theo chiều thẳng đứng hoặc xiên đã quy định trong thiết kế. Khi đóng cọc dài, cần giá búa có thể kéo dài kiểu ống nhòm lên phía đỉnh. Nhưng nếu giá búa đặt trên sàn đạo cao hoặc trên sà lan, cần giá búa có thể nối một đoạn cột dẫn phụ, về phía dưới khung sàn và liên kết bằng bu lông. + Thiết bị treo trục: Giá búa có thể gắn một bộ ròng rọc trên đỉnh, vừa để nâng hạ búa, vừa sách đặt cọc dựng vào cần. Nhưng thông thường giá búa được trang bị hệ ba ròng rọc trên đỉnh. Bộ giữa phục vụ búa, hai bộ kia dành cho cọc. Trên sàn giá búa kết hợp bố trí bàn tời, trang thiết bị cung cấp năng lượng, trạm điều khiển .v. v. Khi thi công đóng hạ cọc nên lưu ý một số vấn đề liên quan đến giá búa sau : khẳng định giá búa luôn luôn ở tư thế chính xác và vững chắc khi đóng cọc. Nếu cần búa không thẳng đứng và còn lắc ngang, búa sẽ giáng lệch tâm xuống đầu cọc và nguy cơ gãy cọc hoặc đóng lệch tim rất dễ xẩy ra. Độ lún lệch của giá búa trong khi đóng cọc cũng ảnh hưởng đến chất lượng của thi công. Đặc biệt đối với cọc xiên, ngoài vấn đề kiểm tra theo dõi độ xiên và tim cọc, còn phải khống chế giá búa không cho lún dù là lún đều. Nếu không, trong khi đóng cọc trọng lượng giá búa có thể trực tiếp ảnh hưởng tới cọc đang đóng và càng tăng thêm nguy cơ gãy cọc. Trường hợp không cần thiết phải điều động giá búa đặc chủng, chẳng hạn khi đóng các loại cọc nhẹ (cọc gỗ, cọc ray), cọc thử hoặc cọc ván loại nhỏ, dùng với búa nhẹ, có thể tự tạo ra các loại búa thô sơ bằng gỗ, hoặc kết hợp với thép hình. Nguyên tắc cấu tạo là nhẹ nhàng, dễ di chuyển, dễ tháo lắp, dùng được nhiều lần và đa năng. Vừa nâng vừa hạ, vừa cẩu và dẫn cọc, có thể đóng nhiều loại cọc, nhiều kiểu bố trí cọc, trong nhiều tình huống khác nhau. Giá búa đóng cọc —thường được chọn cùng với búa và căn cứ vào chiều dài cọc, hướng đóng (cọc thẳng hay cọc xiên theo chiều âm hay dương), trọng lượng búa và cọc. Nếu đóng cọc xiên, giá búa phải có cần phù hợp, tránh tình trạng ép buộc. Độ cao hữu hiệu của giá búa phải lớn hơn chiều dài cọc đóng, cộng với độ an toàn khoảng 0,5m trở lên. Nếu đóng cọc ở nơi có nước mặt hoặc giá búa đứng trên bờ hồ móng đã đào, có thể giảm bớt độ cao đó một đoạn bằng độ sâu mực nước hoặc hố đào. Ngoài vấn đề chiều cao, chọn giá búa còn phải tính đến khả năng về sức nâng sao cho phù hợp với trọng lượng cọc và búa. Nếu không lại phải dùng cần trục khác, cẩu và lắp cọc vào giá búa. Riêng giá búa để hạ cọc ống đường kính lớn đến nay chưa được chế tạo đặc chủng, vì hạ cọc ống thẳng chỉ cần sử dụng các khung dẫn, còn đối với cọc ống xiên có thể dùng loại giá búa lớn vạn năng, trọng tải 20 tấn trở lên. Nếu không, cũng có thể tự tạo bằng cách lắp ráp các thanh “vạn năng” ( chẳng hạn các thanh U, Y, K, M ), để ghép thành giá búa với cần dẫn cọc nghiêng và giàn bệ, nối với nhau bởi thanh chống có tăng đơ điều chỉnh bằng độ xiên đóng cọc . Ta có sơ đồ phân loại giá búa như sau: Giá búa Giá búa chuyên dùng Giá búa ghép trên máy cơ sở Giá búa cấu tạo trên máy cơ sở Đóng cọc trên bờ Đóng cọc trên sông biển Trên máy kéo Trên cần trục Trên máy xúc Cố định Di chuyển Tự hành Không tự hành Căn cứ vào sơ đồ trên ta thấy có ba loại giá búa cơ bản: 1.Giá búa ghép trên máy cơ sở: Là thiết bị được lắp thêm vào một máy cơ sở sẵn có nào đó (thường là một cần trục bằng xích hoặc bánh hơi), thiết bị lắp thêm vào là phần dẫn hướng quả búa khi đóng cọc. Sử dụng giá búa loại này rất tiện lợi, tiết kiệm đầu tư do có thể sử dụng máy cơ sở vào việc khác được . 2. Giá búa cấu tạo trên máy cơ sở : Là thiết bị được thiết kế và chế tạo trên một máy cơ sở ( máy kéo, cần trục, máy xúc ). Trên cơ sở sử dụng nguồn năng lượng, các kết cấu và cơ cấu của máy cơ sở, người ta cải tạo và cấu tạo thêm một số bộ phận như khung gầm, hệ thống thuỷ lực, điều khiển của máy cơ sở cho phù hợp với sự làm việc của giá búa. Sự cải tạo này không ảnh hưởng đến các chức năng chính của máy, do đó củng như giá búa ghép trên máy cơ sở, sử dụng giá búa loại này rất tiện lợi và tiết kiệm. 3. Giá búa chuyên dùng: Là thiết bị được thiết kế và chế tạo chuyên dùng để đóng cọc, đơn giản nhất là các loại giá búa cố định tháo lắp nhanh, loại nhỏ (dùng đóng cọc dài đến 12m). Giá búa điện di chuyển trên đường ray dùng quả búa diêzen 2,5T, 3,5T đóng được cọc bê tông cốt thép dài đến 18m được sử dụng khá phổ biến ở nước ta. Giá búa lắp trên phao nổi, đóng cọc dưới nước phục vụ thi công các công trình đường thuỷ, cảng.... các giá búa này có loại rất lớn còn được gọi là tàu đóng cọc có thể đóng được cọc dài đến 70m . 3.3.Máy búa. Các loại máy ép cọc: ở nước ta hiện nay thường có hai kiểu ép: - ép bằng kích thuỷ lực ( Hình 1) - ép bằng tời cuốn (Hình 2). Ưu điểm của phương pháp ép cọc là tải ép cọc tĩnh không gây chấn động cho những công trình bên cạnh. Có thể ép nối nhiều cọc. Nhược điểm là điều khiển cho cọc đứng thẳng khó khăn với kiểu ép bằng tời cuốn, đưa cọc vào lồng để ép khó khăn với kiểu ép thuỷ lực. Phải nâng chuyển một khối lựơng lớn các khối đối trọng khi máy di chuyển vị trí ép cọc. Hình 1. Máy ép cọc thuỷ lực Xilanh thuỷ lực Lồng chứa cọc Đối trọng Giá tỳ Cọc 6. Chốt đầu cọc Hình.2. Máy ép cọc bằng tời cuốn Pa lăng di động Pa lăng cố định Cột dẫn hướng Móc treo Cọc Giá tỳ Cần trục Đối trọng b. Quả búa làm việc theo nguyên lý va đập: Quả búa hơi, búa treo, búa diêzen, quả búa thuỷ lực. + Búa treo: Là búa chạy bằng tời điện và dây cáp. Búa nặng từ 0,5- 2 tấn. Cấu tạo búa đơn giản bền lâu. Độ cao nâng búa thường phụ thuộc vào cường độ chịu nén của cọc từ 2,5 - 4 m . Năng xuất búa thấp mỗi phút chỉ đóng được từ 4 đến 10 nhát. Búa treo chỉ dùng khi khối lượng công tác tương đối nhỏ (Hình 3) Hình.3. Búa treo Máy cơ sở Thanh rằng ngang Giá dẫn hướng Đầu búa Thanh rằng xiên +Búa trọng lực hay búa rơi tự do (Hình.4) Đó là những khối gang hoặc thép đúc, khối lượng từ 100 đến 3000 kg đôi khi tới 5000 kg, có móc treo hoặc quai xách. Khi đóng cọc, búa được nâng lên bằng tời tay hoặc tời điện và thả rơi tự do xuống đầu cọc ở độ cao từ 1,5 đến 3 đến 4 m. Để dẫn hướng và bảo đảm kỹ thuật, nhất là an toàn khi đóng cọc, thủ búa thường rơi trượt trên hai thanh “so đũa” của giá búa. Nếu búa nhỏ (cỡ 500 kg trở xuống) có thể chỉ cần một thanh thép F40 đến F45 luồn xuyên tâm quả búa và được giữ cố định quả búa ở vị trí thẳng đứng trên đỉnh cọc gỗ cần đóng. Giá búa trong trường hợp này sẽ có thể tự tạo bằng một giá ba chạc đơn giản, hoặc giá búa gỗ, nếu phải đóng nhiều cọc. Tốc độ đóng cọc bằng búa trọng lực rất chậm, phụ thuộc năng lượng cơ bắp sản sinh trong quá trình thao tác nhân lực ( tần số chỉ đạt khoảng từ 3 - 4 nhát đến 10 - 18 nhát trong một phút ). Nếu dùng tời điện cũng chẳng hơn nhiều. Vì thế năng suất rất thấp và kém hiệu quả. Giá búa phải cao hơn chiều dài cọc khá nhiều mới đóng được cọc lúc ban đầu. Đóng cọc bằng búa trọng lực còn có nhược điểm là rất khó khống chế chiều cao rơi búa, dễ xẩy ra nguy cơ gãy cọc, nếu người điều khiển không có kinh nghiệm do đóng quá mạnh khi thấy cọc khó xuống. Búa trọng lực chỉ sử dụng khi đóng cọc nhỏ, trong nền đất trung bình, xuống độ sâu không lớn (khoảng 4-5m tối đa) và lúc không sẵn các loại búa khác. Ngoài ra, cũng có khi dùng loại búa này để đóng cọc thử, vì nếu thuê hoặc điều động các loại buá hiện đại hơn để đóng vài ba cọc sẽ không kinh tế. Hình 4. Búa trọng lực Cáp Mỏ quạ Thanh so đũa Chốt Búa + Búa hơi : Sử dụng năng lượng hơi nước hoặc không khí nén . Quả búa hơi được chia làm hai loại : Quả búa tác động đơn và quả búa tác động kép, cọc được ấn vào nền do năng lượng rơi tự do của đầu búa tác dụng trực tiếp lên cọc, năng lượng của hơi nước hoặc không khí nén chỉ dùng nâng đầu búa lên cao. Trong quả búa tác động năng lượng của hơi nước hoặc không khí nén không những dùng để nâng đầu búa lên cao mà có tác dụng đẩy nhanh chúng rơi xuống đầu cọc . 1. Búa đơn động: (Hình 5) Búa đơn động loại thông thường gồm: - Quả búa, một khối thép nặng có dạng xi lanh, di động dọc theo cần dẫn hướng của giá búa ( nhiều nước gọi là “con cừu’’ vì nhảy lên xuống liên tục ). Đó là bộ phận xung kích của búa. - Pittông, ở trong lòng xi lanh, có cần dài gắn với trung tâm của đầu cọc. Nguyên lý làm việc của búa là dùng hơi nước có áp lực đẩy xilanh của búa lên. Do trọng lượng của búa dơi tự do xuống đầu cọc. Trên nắp xilanh có khoá dẫn hơi ba chạc để phân phối hơi nước hoặc không khí nén vào buồng trên của xilanh. Khoá phân phối là một ổ trục có lỗ xuyên tâm và lỗ bán kính ( nữa xuyên tâm ) thẳng góc với nhau, để buồng trên của vỏ xilanh khi thông với không khí bên ngoài thì nhánh dẫn hơi được khó chặt và ngược lại. Nếu lần lượt đóng mở khóa hơi với góc quay 90o, hơi có áp sẽ được nạp và xã nhẹ nhàng theo chu kỳ, làm cho xilanh ( quả búa ) nảy lên và rơi xuống nhịp nhàng, đóng vào cọc. Như vậy, chỉ có phần xi lanh vỏ quả búa tạo ra động năng khi rơi tự do như búa trọng lực. Để nâng thủ búa lên và tạo ra thế năng, trong buá đã dùng hơi cao áp thay cho sức kéo thủ công hoặc tời điện dùng trong búa trọng lực. Do đó hơi nước hoặc khí nén chỉ có tác dụng một chiều : búa đánh đơn hoặc búa đơn động. Hiện nay búa đơn động có nhiều mẫu mã cải tiến đặc biệt là bộ phân phối kí nén đã có thể điều khiển tự động. Trọng lượng của búa cũng thay đổi theo từng nước sản xuất. Búa lớn nhất hiện nay là Menck MRBS 7000 SL với “con cừu’’ nặng tới 80 tấn. Nhưng nói chung các loại búa đơn thông dụng thường có trọng lượng từ 2,6 - 11 tấn ( có khi tới 55 tấn ) trong đó phần gây xung lực của búa rất nặng, tuỳ theo mẫu mã, có thể từ 1,8 - 8,2 tấn (27,3 tấn), có khi chiếm hơn 70% tổng trọng lượng. Độ cao rơi của thủ búa tối đa có thể tới 1,37 - 1,5 m, nhưng thường được điều khiển tự động bằng cần gạt để phân phối khí nén, hạn chế độ cao rơi của búa trong giới hạn 1,2 m, tránh sự cố cho cọc. Thường những nhát búa nặng nhưng độ rơi thấp sẽ hiệu quả hơn và cọc ít bị hỏng so với trường hợp của búa nhẹ mà độ nẩy cao, đặc biệt đối với cọc đóng trong đất sét chắc. Tần số rơi của búa đơn động thường trong khoảng 30 - 60 nhát/phút. Năng lượng mỗi nhát búa từ 27 - 100 KNm ( quả búa 27,3 tấn sản ra năng lượng 249 KNm/nhát). Bình thường búa hơi đơn đơn động tiêu thụ lượng hơi khoảng 350 đến 1500 kg/h, hoặc không khí nén từ 9 - 26 m3/phút, với áp lực hơi ép từ 6 đến 10 daN/cm2. Kích thước bề ngoài của búa đơn động rất lớn, chiều cao búa từ 2,8 - 4,9 m. Vì vậy giá búa đóng cọc phải cao và chắc khoẻ. Búa hơi đơn động tuy nặng nề và có kích thước lớn, nhưng cấu tạo đơn giản, dễ sữ dụng và có năng lượng lớn, nên thường dùng để hạ các cọc bê tông cốt thép dài và nặng. Hình 5. Sơ đồ nguyên tắc của búa hơi đơn động Lỗ thoát hơi 5. Pittông 9. Cần giá búa Khoá phân phối 6. Cần pittông 10. Cọc Nắp 7.Lỗ thông Vỏ xi lanh 8. Quai 2. Búa song động. (Hình.6) Búa đánh kép làm việc theo nguyên lý kết hợp, không những khai thác năng lượng rơi của phần xung kích, mà còn tận dụng cả áp lực của hơi có áp gia tăng động năng hơn nữa để hạ cọc đạt hiệu quả hơn. áp lực hơi nước hoặc khí ép tác động cả hai chiều lên xuống của phần động. Do đó búa đánh kép còn có tên là búa hơi đơn động. (Hình 6) giới thiệu sơ đồ cấu tạo của búa kép. Khác với búa đơn, xilanh trong búa kép là bộ phận cố định gắn liền với thân búa và cọc. Bộ phận di động lại là pittông có cán, nối liền với quả búa. Trong thành rỗng của xilanh bố trí bộ phân phối khí ép (hoặc hơi nước), hoạt động có chu kỳ, nạp hơi ép vào ngăn trên và ngăn dưới của xilanh. Khi hơi dồn vào ngăn dưới, píttông được nảy lên và ngược lại. Pittông kéo theo cả quả búa, nên rơi xuống ngoài trọng lượng bản thân của píttông và quả búa giáng xuống đầu cọc, còn có áp lực bổ xung của hơi ép, được nạp đúng lúc vào ngăn trên. Trọng lượng bản thân phần xung kích (quả búa ) của búa kép thường dùng chỉ nặng từ 600 kg đến 2250 kg. Độ cao lên xuống của quả búa và píttông chỉ từ 0,4 đến 0,58 m và tạo ra năng lượng từ 9,5 đến 27,0 kNm mỗi nhát. Tuy nhiên, vì tần số khá cao, khoảng từ 100 tới 300 nhát đập trong một phút, nên công suất cũng tương đương búa đơn, mặc dù kích thước búa có nhỏ hơn (chiều cao 2,4 đến 3,0 m ), và tổng trọng lượng tương đối nhẹ hơn ( từ 3-5,2 tấn ) trong đó phần xung kích chỉ chiếm 20 đến 30%. Một số nước đã sản suất búa kép nặng tới 37,7 tấn, trong đó phần động nặng 18,2 tấn, sản ra năng lượng 157 kNm và tần số là 100 nhát/phút (Vulcan 400C ). Để cung cấp khí ép cho búa thường sở dụng máy nén khí có công suất trên dưới 15m3/phút, với áp suất 7 đến 8 daN/cm2. Búa kép khá thông dụng, có thể không cần giá búa, quả búa không giáng trực tiếp vào đầu cọc, ít phá vỡ đầu cọc. Vì búa kép có vỏ kín nên có thể dùng để đóng cọc trong nước sâu tới 20 đến 25 m. Dùng búa hơi song động cần chú ý nhất là vấn đề liên kết chắc với đầu cọc, tránh cho búa không bị nẩy bật tung ra khỏi đầu cọc, đồng thời cần đặt búa và cọc sao cho trùng tâm và thẳng hàng, tránh lắc ngang rất bất lợi. Nếu búa kép được trang bị thêm một lưỡi đục, có thể sử dụng búa để phá đá cứng. Nếu gá thêm một bộ hàm kẹp, có thể dùng búa để nhổ cọc. Trong các loại búa hơi kiểu xung động của hãng BSP, người ta còn lợi dụng phần đệm thừa nằm giữa khối xung kích nặng 1,1 tấn và tấm dẫn hướng để giảm tiếng ồn khi búa đóng cọc ván thép. Cả hai loại búa hơi nói trên đều tốn nhiều năng lượng và đòi hỏi phải có trang thiết bị đi kèm như nồi hơi hoặc máy nén khí, ống dẫn hơi ép v.v.. Búa hơi có thể đóng được cọc xiên tới 1:1. Hình 6. Sơ đồ cấu tạo Búa hơi song động Guốc đe Thủ búa Thân búa Cán pittông Pittông Xilanh Bulông Nắp xilanh Vòi dẫn hơi +Búa đóng cọc thuỷ lực: Làm việc nhờ chất lỏng hoặc khí ép (Hình 7). Búa đơn động: Dùng chất lỏng có áp lực đưa búa lên cao, sau đó búa rơi xuống nhờ trọng lượng bản thân. Trọng lượng búa từ 1,5 đến 8 tấn. Số nhát đóng được trong một phút khoảng 25 đến 30 nhát. Cấu tạo búa đơn giản dễ sử dụng . Búa song động: Dùng chất lỏng đưa búa lên rồi sau đó lại dùng chất lỏng có áp lực hạ búa xuống. Ưu điểm năng suất cao, mỗi phút đóng được từ 200 đến 300 nhát, làm việc tự động. Nhược điểm chính của búa này là trọng lượng chết lớn chiếm 80% trọng lượng búa. Hình.7. Búa đóng cọc thuỷ lực. Đế búa 7. Van một chiều Thân búa 8. Không gian trên pittông Đầu búa 9. Van phân phối Cán pittông I. ống vào Không gian dưới pittông II. ống ra Pittông + Búa diêzen: Các búa diêzen làm việc theo nguyên lý động cơ nổ hai kỳ. Trọng lượng búa thường từ 0,6 đến 1,2 tấn, dùng rất tốt trong việc đóng những cọc gỗ, cọc thép, cọc bê tông cốt thép. Nhược điểm chính của hai loại búa này là những nơi đất mềm thì độ đối kháng của cọc sẽ nhỏ. Cọc và búa tụt xuống nhanh nên nhiên liệu không cháy được. Lúc đầu bộ phận xung kích được kéo lên bằng tời. Nhiên liệu được phun vào buồng nén ngay khi bộ phận xung kích được thả rơi. Không khí và nhiên liệu bị nén và nóng lên, biến thành một hỗn hợp ở trạng thái sương mù. Khi đủ nhiệt độ, “ bụi hơi’’ nhiên liệu bị bốc cháy cùng với không khí nén, sẽ gây nổ. Kết quả là cọc bị đóng xuống và phần xung kích bị nẩy lên tiếp tục một chu kỳ khác. Búa diêzen thường có ba loại: - Búa diêzen loại hai cọc dẫn: ở loại này xilanh làm nhiệm vụ đầu búa. Chuyển động lên xuống theo hai cọc dẫn (Hình 8). Phần trên là xi lanh di động, nẩy lên và rơi xuống đều trượt trên hai thanh thép tròn bố trí song song. Phần dưới là pittông cố định, có ống dẫn và phun nhiên liệu ở trung tâm. Do tải trọng bản thân rơi xuống, tạo ra với pittông một buồng kín và bật lẫy để nhiên liệu tự động phun lên và bị nén cùng không khí đến mức bốc cháy, tạo ra năng lượng nổ rất mạnh, làm nẩy xilanh và dội lên cọc một phản lực lớn. Sau đó xilanh lại tự động rơi và những chu kỳ khác cứ thế tiếp diễn. Hình 8. Búa điêzen hai cọc dẫn Xi lanh Píttông 3. Bệ - Búa đóng cọc loại xilanh dẫn: Xilanh làm nhiệm vụ đầu búa. Tốc độ đóng cọc từ 60 đến 80 lần một phút (Hình 9 ) Hình 9. Búa diêzen loại xi lanh dẫn Xi lanh Pít tông 3. Bệ -Búa đóng cọc kiểu ống dẫn: Pít tông làm nhiệm vụ đầu búa. Tốc độ đóng cọc thường từ 50 đến 60 lần một phút. Điều kiệt cháy tốt hỗn hợp, hỗn hợp sau khi cháy thải tương đối sạch. (Hình 10) Phần vỏ búa cố định với cọc gồm : Một ống xilanh dài, dưới khối đe có hốc chỏm cầu, xung quanh là hệ thống chứa và phun nhiên liệu. Khi pittông được thả dơi tự do, trong xilanh không khí bị nén lại đến một mức nào đó pittông chạm bẫy, phun nhiên liệu vào hốc chỏm cầu dưới đáy buồng nén. Khi hỗn hợp nổ, xilanh và cọc bị ấn xuống, pittông lại nhảy lên trong vỏ xilanh và khi động năng biến thành thế năng pittông lại rơi xuống thực hiện một chu kỳ mới. Lúc đóng cọc, búa được kẹp và trượt theo cần của giá búa. Nói chung, các loại búa điêzen được nhiều hãng sản xuất. Trong đó loại lớn nhất có tổng trọng lượng 36,6 tấn và cho năng lượng tới 361kNm. Các loại búa kiểm soát được năng lượng bằng cách điều chỉnh lượng nhiên liệu nạp vào buồng nén ( búa điêzen Link-Belt ). Ưu điểm của búa điêzen so với búa hơi có thể kể như sau : Rất cơ động, tương đối nhẹ so với búa đơn động. Không cần trang bị các trạm cung cấp năng lượng ( nồi hơi, máy ép khí, ống dẫn). Dùng nhiên liệu lỏng rẻ tiền ( dầu mazút, dầu hoả). Tốn ít nhiên liệu (khoảng 4 đến 16 lit/h, nhiên liệu dùng triệt để ). Búa dễ thao tác, cho năng suất cao. - Hệ số hiệu dụng tốt hơn búa hơi, năng lượng nổ truyền trực tiếp vào phần xung động của búa. Tuy nhiên, búa điêzen có nhược điểm là : Chỉ hạn chế đóng những cọc thẳng hoặc có độ xiên tối đa 3:1 đến 4:1. - Không hiệu quả khi đóng cọc trong đất yếu. Khi nổ, cọc lún xuống nhiều, thủ búa không đủ năng lượng bật lên cao, do đó buồng nén không đủ áp lực và nhiệt độ đốt cháy hổn hợp nhiên liệu cho chu kỳ sau. Do đó phải thao tác lại từ đầu, năng xuất giảm. - Ngoài ra, khi chọn búa phải phù hợp với trọng lượng cọc. Nếu cọc nhẹ búa không sử dụng hết công suất. Nếu cọc nặng quá, búa không đủ khả năng, đóng sẽ chối, thời gian kéo dài rất có hại cho tuổi thọ của búa.( Đóng sâu 10 đến12m trung bình khoảng 20 đến 30 phút, nếu thấy lâu hơn, cần chọn búa khác, có trọng lượng phần xung kích lớn hơn ). Ngoài ba loại búa trên, còn dùng các loại búa thuỷ lực, nâng bộ phận xung kích bằng chất lỏng có áp và để rơi tự do trên cọc. Búa thuỷ lực ít gây tiếng ồn và xung động, không gây ô nhiễm môi trường như búa điêzen. Búa thuỷ lực có thể cho tác dụng đơn độc hoặc ghép nhóm. Khi ghép nhóm búa thuỷ lực có bộ phận động cực nặng, tới 37,4 tấn (toàn nhóm 60 tấn) và sản ra năng lượng 540 kNm mỗi nhát. Búa thuỷ lực dùng hợp lý trong trường hợp đóng cọc dưới nước có bệ móng nằm trong đất ở sâu dưới mặt nước, như vậy khi đóng không phải dùng cọc đệm nối thêm, giảm bớt trọng lượng đóng, nâng cao năng suất và giảm thời gian thi công, hoặc không phải cắt bớt cọc như khi dùng các loại búa khác như búa đơn, búa điêzen vv... Ngoài ra, búa thuỷ lực còn có khả năng điều chỉnh năng lượng và số lượng nhát búa trong một phút, rất cần khi đóng cọc dài và thanh mảnh. (thao tác bằng các van điều chỉnh, nên có thể dùng thủ công hoặc theo chế độ điều khiển tự động ). Hình 10. Búa điêzen loại ống dẫn Xilanh Pittông Bệ +Quả búa làm việc theo nguyên lý rung: Nguyên lý làm việc của búa rung là lợi dụng lực gây rung do trục lệch tâm hoặc do đĩa lệch tâm gây ra để chuyển vào cọc. Trong quá trình đóng cọc, cọc lún do rung động với một tần suất nào đó, vì thế mà giảm được ma sát sinh ra giữa cọc và đất. Mặt khác trọng lượng bản thân giữa cọc và búa làm cọc lún sâu vào nền đất. Búa rung ra đời sau các loại búa trên và đang được sử dụng rộng rải để đóng cọc những nền đất dính. Ưu điểm của loại búa này: Kết cấu đơn giản, kích thước nhỏ gọn, tính cơ động cao, làm việc chắc chắn, cọc không bị vỡ như khi dùng các loại búa va đập. Do đó giá thành đóng cọc rẻ hơn 2 đến 3 lần so với các loại búa khác. Nhược điểm: trong quá trình làm việc lực gây rung làm ảnh hưởng lớn đến các công trình ở bên cạnh. Búa chấn động được sử dụng nhiều trong xây dựng cơ bản nhất là trong xây dựng móng cầu. Cấu tạo búa chấn động gồm nhiều khối lệch tâm quay đồng bộ theo hai hướng khác nhau nhờ một mô tơ điện. Khi làm việc các khối lệch tâm sinh ra lực ly tâm theo phương bán kính và đi qua tâm quay. Lực này chia thành hai thành phần (hình11). Các thành phần nằm ngang tự triệt tiêu lẫn nhau do các bánh lệch tâm cứ đôi một quay ngược chiều, còn các lực thẳng đứng gây ra lực kích thích dọc tim cọc, thay đổi theo quy luật hình sin . Hình 11. Sơ đồ phân tích lực của khối lệch tâm Ftđ = 2F1 = 2m0rw2sinwt F2 Là thành phần bị triệt tiêu nhau. Trong đó: F = m0rw2 m0 - Là khối lượng quả lệch tâm m0 = m1 = m2 r - Là bán kính lệch tâm w - Là tần số góc. Máy chấn động được gắn chặt vào đầu cọc. Khi búa làm việc, lực chấn động truyền vào cọc làm giảm ma sát giữa cọc và đất, trọng lượng búa và cọc sẽ thắng phản lực của đất, ở mũi cọc, cọc lún sâu vào đất (Hình.12). Loại búa này có ưu điểm hiệu suất hạ cọc nhanh hơn so với các loại búa khác. Song tuổi thọ làm việc của mô tơ điện giảm đi nhiều do chấn động của búa. Tuy nhiên có thể khắc phục bằng cách đặt lò xo giảm chấn giữa mô tơ điện và búa chấn động ( Hình.13) . Để tăng nhanh tốc độ cọc lún sâu vào đất có thể đặt thêm các tấm gia trọng dưới đế của mô tơ điện. Ngoài ra còn có loại búa chấn động xung kích (Hình.14). Búa chấn động xung kích có hai tác dụng vừa đóng vừa rung để hạ cọc và có thể điều chỉnh lực xung kích, do đó hiệu suất hạ cọc khá cao nhưng nhược điểm là mô tơ chịu lực rung, do đó chóng hỏng. c. Đệm cọc. + Đệm cọc khi đóng bằng búa : Khi đóng bằng búa, trên đỉnh cọc phải có đệm cọc để giảm nhẹ xung lực tác dụng trực tiếp lên đầu cọc và dàn đều ứng suất trên toàn bộ diện tích tiết diện cọc. Đệm cọc bê tông cốt thép thông thường gồm : Chụp đầu cọc và các tấm đệm lót. Chụp đầu cọc có tác dụng giữ cho tấm đệm giảm chấn bên trong lót trực tiếp trên đầu cọc, để cọc có thể xoay nhẹ, tự do, tránh những ứng suất phụ nhưng cũng không được rộng quá 1cm mỗi bên. Độ sâu của chụp khoảng 1,5 - 2 lần cạnh hoặc đường kính cọc.Trên đỉnh chụp thường có hốc lõm cao khoảng 15 - 20 cm đáy hình vuông nhưng miệng tròn, để bố trí đệm gỗ, đệm chất dẻo hay cọc đệm (khi đầu cọc cần đóng đã xuống hết chân cột dẫn). Đệm gỗ cao khoảng 30 cm, bằng gỗ cứng, có chít đai thép (Hình 15). Đệm chất dẻo chịu lực tốt hơn đệm gỗ cứng, vì cấu tạo gồm ba lớp : Lớp cao su có cốt ở giữa, tấm thép phía trên và gỗ cứng phía dưới. Bình thường đệm chất dẻo có thể phục vụ để đóng cho hàng ngàn cọc, trong khi đệm gỗ chỉ được một vài cọc, đệm cao su- gỗ (cao 10cm) đóng trung bình được bẩy cọc, đệm chất dẻo bakelit có cốt sợi bông với tấm thép ở đỉnh và 5cm gỗ cứng ở dưới, có thể chịu được khoảng 40 cọc. (Hình15) giới thiệu cấu tạo đệm đầu cọc bê tông cốt thép. Đệm giảm chấn lót trực tiếp bên trong mũ, tiếp xúc trực diện với cọc có thể làm bằng các loại vật liệu khác nhau, tuỳ theo tập quán của từng nước, chẳng hạn bao tải gai, gỗ ván, xơ dừa, cao su, amiăng, giấy bồi.vv.. Amiăng là loại vật liệu chịu được hàng vạn nhát búa nặng vẩn ổn định và không bị cháy. Có những nơi chỉ dùng mạt cưa đựng trong bao tải gai, với hai bọc xi măng khô đệm hai bên và đặt phẳng trên đầu cọc. Đối với cọc thép (tương tự cọc ván thép ), đệm cọc thường làm bằng gỗ hoặc chất dẻo, hình dạng tuỳ theo tiết diện cọc. Mặt dưới có rãnh và chêm thép để kẹp chặt đầu cọc. Nói chung, vật liệu và độ dày của đệm cọc là hai nhân tố cần lưu ý chọn lựa, vì chỉ cần thiếu độ nẩy đàn hồi cũng có thể cho đầu cọc bị hỏng. + Đệm cọc khi rung bằng búa chấn động:(Hình 15) Giới thiệu chụp nối giữa búa và cọc dưới dạng mặt bích, có tác dụng như một đệm cọc khi dùng búa chấn động để hạ cọc ống bêtông cốt thép đường kính lớn. Hình 15. Đệm đầu cọc bê tông cốt thép Cọc Đệm giảm chấn Chụp thép Gỗ đệm Đai d. Kỹ thuật đóng cọc: Qúa trình hạ cọc thường bao gồm các công việc sau; di chuyển giá búa hoặc cần trục đến vị trí đóng cọc, vận chuyển và dựng cọc vào giá, đặt búa lên đầu cọc và hạ cọc. +Chuẩn bị: Cọc được tập kết bên cạnh giá búa từng đợt với số lượng tính toán. Vận chuyển cọc bằng đường goòng, sà lan. Trước khi dựng cọc vào giá búa, một lần nữa cọc được kiểm tra kỹ những khuyết tật có khả năng xảy ra trong lúc bốc xếp, vận chuyển. Để dễ dàng theo dõi cọc trong quá trình hạ, cần vạch dấu sơn trên thân cọc bắt đầu từ mũi cách nhau khoảng 1m, càng gần đỉnh cọc, khoảng cách giữa các vạch sơn càng gần nhau: 50, ._.