Hợp lý hóa điều khiển bộ công tác thi công cọc xi măng đất theo thuộc tính đất

 64 Journal of Transportation Science and Technology, Vol 29, Aug 2018 
HỢP LÝ HÓA ĐIỀU KHIỂN BỘ CÔNG TÁC THI CÔNG 
CỌC XI MĂNG ĐẤT THEO THUỘC TÍNH ĐẤT 
RATIONALIZATION OF CONTROL OF MAKING SOIL – CEMENT COLUMNS 
BASED ON PROPERTIES OF SOIL 
Lê Thanh Đức1, Nguyễn Hồng Ngân2 
1,2Đại học Bách Khoa TPHCM, Việt Nam, 
lethanhduc2009@gmail.com, ngan.ng.h@gmail.com 
Tóm tắt: Để tiết kiệm thời gian, nâng cao năng suất và hiệu quả các máy thi công cọc xi măng 
đất, có thể sử dụng cảm biến lực để nhận biết lực cản của bộ công tác. Chuyển lực cản cắt trên mũi 
khoan đất thành dữ liệu lưu lại dưới dạng số, sau đó dùng máy tính để điều khiển quá trình tạo cọc 
của bộ công tác. Cơ sở cho điều này là do ứng với mỗi loại đất, mỗi vị trí sẽ xuất hiện giá trị lực cản 
khác nhau trên bộ công tác khi thi công. Ứng với mỗi một vòng quay bộ công tác, mỗi độ sâu khi 
khoan trộn tạo cọc, sẽ có một giá trị lực cản khác biệt. Đó là cơ sở để điều khiển hiệu quả quá trình 
thi công 
Từ khóa: Cột, máy tính, thiết bị, tiết kiệm, lực, ximăng – đất. 
Chỉ số phân loại: 2.4 
Abstract: In order to save time, improve the productivity and efficiency of the cement pile drilling 
machines, the force sensor can be used to identify the resistance of the workpiece. Transfer the cutting 
force on the drill bit to the data stored in digital form, then use the computer to control the pile 
formation of the work. The basis for this is that for each type of soil, different positions of resistance 
will appear on the work set during construction. For each rotation of the task, each of the depths of 
the pile drilling creates a different resistance value. This is the basis for effective control of the 
construction process 
Keywords: computer, column, equipment, economy, force, soil – cement. 
Classification number: 2.4 
1. Giới thiệu 
Hiện nay, trên thế giới cũng như ở Việt 
Nam. Cọc xi măng – đất được lựa chọn như 
một trong những phương pháp gia cố nền 
yếu. Quá trình điều khiển bộ công tác thi 
công cọc được dựa trên dữ liệu đã có, dữ liệu 
này bao gồm: Đặc điểm khí hậu, địa chất, 
điều kiện máy móc, nhân lực Trong các dữ 
liệu trên, việc khảo sát địa chất là một trong 
những nhân tố quan trọng nhất. Điều này là 
do khi thi công cọc đặc tính đất sẽ quyết định 
phương pháp ứng xử điều khiển. Ví dụ như 
các số liệu về : Khối lượng xi măng bơm vào, 
loại xi măng là ướt hay khô, thời gian trộn tại 
một vị trí dài hay ngắn, tốc độ lên xuống bộ 
công tác, vận tốc quay, công suất, năng suất, 
chất lượng, đường kính cọc, khả năng chịu 
lực của cọc, độ sâu cọc, sử dụng loại máy thi 
công nào v.v... 
Cơ tính của đất được thu thập bằng việc 
khoan thăm dò địa chất ở từng điểm cho 
trước, tại những độ sâu khác nhau. Tuy nhiên 
các điểm thăm dò không thể liên tục theo độ 
sâu và diện tích, vì lý do chi phí cũng như 
các yếu tố khách quan khác. Chính vì điều 
này, người ta phải nội suy để liên tục hóa dữ 
liệu quan trắc. Do vậy, có thể sẽ dẫn tới 
những số liệu không chính xác. Một vấn đề 
nảy sinh nữa trong điều khiển bộ công tác. 
Đó là người sử dụng không thể nhận biết 
ngay loại đất đang làm. Dẫn đến lượng xi 
măng bơm ra, số lượt trộn cần có, vận tốc lên 
xuống là bao nhiêu  sẽ hoàn toàn dựa trên 
dữ liệu nội suy vốn không phải lúc nào cũng 
phản ánh đúng đặc tính của chất đất hiện có. 
Để giải quyết vấn đề trên, có thể gắn các 
cảm biến đo lực với mật độ phù hợp trên 
cánh bộ công tác (hình 1, 2). Các cảm biến sẽ 
đo sự thay đổi liên tục của lực tác dụng và 
lưu lại dữ liệu này, thường xuyên so sánh với 
dữ liệu đã có để ra quyết định điều khiển cho 
phù hợp, nhờ máy tính điều khiển. 
Công nghệ khoan trộn tạo cọc trước đây 
cũng như hiện nay đều không có điều khiển 
phun xi măng, tốc độ quay, vận tốc lên xuống 
dựa theo dữ liệu tức thời thu được. Điều này 
 TẠP CHÍ KHOA HỌC CÔNG NGHỆ GIAO THÔNG VẬN TẢI, SỐ 29-08/2018 
65 
dẫn đến chất lượng cọc xi măng đất sau trộn 
sẽ phải thử và giám sát nhiều hơn trên những 
mẫu thử để đảm bảo chất lượng công trình. 
Kết quả là dẫn đến chi phí và thời gian 
gia tăng. Mục tiêu của đề xuất nghiên cứu 
này là nhằm khắc phục nhược điểm đó. 
Trong phạm vi của bài báo, sẽ đề xuất một 
phương pháp nghiên cứu, các ví dụ được mô 
phỏng bằng các giả định lý thuyết và những 
vấn đề còn tồn tại của phương pháp này. 
2. Nội dung nghiên cứu 
90
60
30
0
330
300270240
210
180
150
120
.0
.0
.0
.0
.0
.0
.0.0
.0
.0
.0
.0 0
330
300
270
240
210180150
120
90
60
30
.0
.0
.0
.0
.0
.0
.0.0
.0
.0
.0
.0
C1 C2
Hình 1. Mô tả vị trí tiếp nhận dữ liệu cảm biến lực 
của cánh C1 và cánh C2. 
Bộ công tác khoan tạo cọc xi măng đất 
(hình 3) là một trong những bộ công tác điển 
hình. Các cảm biến được gắn trên cánh (hình 
1) là đối tượng chính của nghiên cứu. 
Khi gắn cảm biến (Strain gage- lá điện trở 
đo biến dạng,), chẳng hạn loại BYM (BKM, 
BEB)120-1AA-N, chỉ có kích thước các 
cạnh: (rộng x dài) = (1,0 x1,9) mm. Chúng ta 
có thể thu được dữ liệu của các lực tác dụng. 
Ví dụ về thao tác gắn Strain Gage được giới 
thiệu trên hình 2. Việc thu thập dữ liệu được 
tiến hành như sau: Bộ công tác quay vòng 
tròn lấy điểm gốc là 00 (3600). 
Hình 2.Thao tác gắn Stain gage . 
Hình 3. Mẫu bộ công tác được khảo sát. 
Vị trí gốc là vị trí được lấy làm chuẩn để 
bắt đầu đo. Cần lưu ý rằng theo một cách 
tổng quát thì vị trí này có thể thay đổi. Tuy 
nhiên để dễ tiếp cận vấn đề thì bài báo này đề 
xuất như trên. Vị trí C10 chính là vị trí của 
cánh số 1. Tất cả cảm biến trên các cánh còn 
lại đều lấy thời điểm này làm chuẩn để bắt 
đầu đo. Như vậy có thể nhận thấy dễ dàng là 
tuy cùng thời điểm đo nhưng chuẩn trong 
không gian sẽ khác nhau. 
Để hợp lý hóa trong điều khiển tự động, 
cần thiết phải xây dựng mô hình toán, với sơ 
đồ khối tính toán như sau: 
Hình 4. Sơ đồ khối tính toán 
 điều khiển bộ công tác. 
 66 Journal of Transportation Science and Technology, Vol 29, Aug 2018 
Dựa vào sơ đồ tính toán này, tác giả đề 
xuất các bảng số liệu sau (bảng 1,2,3) để 
minh họa. Các số liệu là giả định, nhưng lấy 
theo các catalogue của các máy khoan tạo 
cọc xi măng đất hiện có. Các số bảng số liệu 
này được sắp xếp theo trình tự từ độ sâu tối 
đa lên đến mặt đất. 
Bảng 1. Dữ liệu giả định về lực của cảm biến ứng với độ sâu từ 13m tới 30m, lớp đất thứ 3. 
(1) (2) (3) (4) (5) (6) (7) (8) 
1 304 297 277 
13÷30 17 2.2 7.72 
2 306 308 272 
3 302 292 283 
4 290 290 274 
5 298 292 280 
6 294 301 277 
7 300 304 287 
8 306 293 286 
9 309 309 277 
10 298 298 288 
11 295 302 286 
12 307 298 289 
Giá trị trung bình 300.75 298.666 281.75 
Sai lệch trung bình giữa dữ liệu máy 
đã có và dữ liệu được đo ở thời điểm bắt đầu(%) 0.7222 
Sai lệch trung bình mômen giữa thời điểm 
bắt đầu trộn và thời điểm kết thúc trộn (%) (300.75-281.75)/300x100=6.33 
Ghi chú: 
a- Các số kí hiệu sau đây dùng cho tất cả các bảng số 1,2,3. 
(1) STT vị trí cảm biến; 
(2) Mômen đo được ở các cánh tại thời điểm bắt đầu trộn, (N.m); 
(3) Dữ liệu về mô men là kết quả thực nghiệm đã có trong bộ nhớ máy tính nhờ (tại thời điểm bắt đầu trộn) 
(N.m); 
(4) Dữ liệu mô men đo được tại thời điểm kết thúc tương ứng với dữ lệu ban đầu. 
(5) Độ sâu cọc (m); 
(6) Độ dày lớp đất giả thiết (m); 
(7) Tốc độ rút bình quân(m/ph); 
(8) Thời gian trộn tối đa (phút). 
b-Tốc độ đạt đến giá trị bão hòa [5, tr.70], hay còn gọi là giá trị mà tại đó, nếu có trộn thêm cũng không 
tăng được chất lượng cọc: v = 6.33/7.72 = 0.81 (%/phút). 
Bảng 2. Dữ liệu giả định về lực của cảm biến ứng với độ sâu từ 13m tới 13.7 m, lớp đất thứ 2. 
(1) (2) (3) (4) (5) (6) (7) (8) 
1 291 297 287 
13÷13.7 0.7 2 0.35 
2 302 308 281 
3 290 292 278 
4 310 290 288 
5 307 292 283 
6 304 301 278 
7 303 304 286 
8 306 293 283 
9 309 309 275 
10 298 298 286 
11 300 302 281 
12 290 298 282 
Giá trị trung bình 300.833 298.666 282.3333 
Sai lệch trung bình giữa dữ liệu máy 0.7222 
 TẠP CHÍ KHOA HỌC CÔNG NGHỆ GIAO THÔNG VẬN TẢI, SỐ 29-08/2018 
67 
đã có và dữ liệu được đo ở thời điểm 
bắt đầu 
(%) 
Sai lệch trung bình mômen giữa thời 
điểm bắt đầu trộn và thời điểm kết 
thúc trộn 
(%) 
(300.83-282.33) / 300 x100 = 6.167 
Tốc độ đạt đến giá trị bão hòa v = 6,167/0.35 = 17.61905 (%/phút). 
Bảng 3. Dữ liệu giả định về lực của cảm biến ứng với độ sâu từ 0 m tới 12.3 m, lớp đất thứ 1. 
Tốc độ đạt đến giá trị bão hòa v = 7.05/5.59 = 1.26 (% / phút) 
3. Kết quả 
Dựa vào các số liệu tính toán có thể rút 
ra một số kết quả sau: 
Hình 5. Biểu đồ quan hệ giữa chiều dày lớp đất và tốc 
độ đạt đến giá trị bão hòa. 
Biểu đồ trên cho thấy ảnh hưởng lớn 
chiều dài lớp đất được trộn đến tốc độ giá trị 
bão hòa đạt được. Độ dày của lớp đất càng 
lớn, vận tốc rút càng cao, thì tốc độ đạt được 
càng giảm. Điều này có nghĩa là trong xử lý 
lập trình điều khiển việc can dự thay đổi vào 
hệ thống càng ít qua đó sẽ tiết kiệm được sức 
người vận hành, từ đó dẫn đến ít sai sót hơn. 
Thông thường, với các công nghệ đã có, 
người ta thường điều khiển tốc độ rút ở mức 
không đổi vào khoảng 2 m/ph, điều này gây 
ra sự lãng phí lớn về thời gian và chi phí. Bởi 
vì không phải loại đất nào cũng cần tốc độ 
rút ở mức như nhau, cũng như mức độ trộn 
như nhau. Theo các bảng số liệu trên, có thể 
rút ra được biểu đồ sau: 
Hình 6. Biểu đồ so sánh thời gian trộn theo đề xuất, 
thời gian trộn theo công nghệ hiện nay tương ứng với 
các chiều dài đoạn cọc. 
Theo biểu đồ trên có thể thấy rằng thời 
gian tiết kiệm khi thi công cọc xi măng đất 
(1) (2) (3) (4) (5) (6) (7) (8) 
1 304 297 277 
0 ÷12.3 
12.3 
2.2 
 5.590909 
2 306 308 272 
3 302 292 290 
4 290 290 279 
5 298 292 270 
6 294 301 277 
7 300 304 288 
8 306 293 282 
9 309 309 282 
10 298 298 279 
11 295 302 272 
12 307 298 287 
Giá trị trung bình 300.75 298.666 279.58 
Sai lệch trung bình giữa dữ liệu 
máy đã có và dữ liệu được đo ở 
thời điểm bắt đầu (%) 
0.69 
Sai lệch trung bình mômen 
giữa thời điểm bắt đầu trộn và 
thời điểm kết thúc trộn (%) 
(300.75 - 279.58)/300x100 = 7.05 
 68 Journal of Transportation Science and Technology, Vol 29, Aug 2018 
có chiều dài 30m với ba loại đất có độ dày 
như trong bảng số liệu là: 
ttk = 0.78 + 0.56 = 1.34 (phút) 
Tức là tiết kiệm 8.9 % so với mức thông 
thường hiện nay. 
4. Kết luận 
Sử dụng cảm biến, từ đó xác định thuộc 
tính đất giúp cho việc xác định các thông số 
điều khiển một cách thích hợp .Từ trước đến 
nay, các hoạt động thi công phụ thuộc rất 
nhiều vào dữ liệu quan trắc vốn không liên 
tục. Những kết quả có được không phủ định 
các thành tựu trong thi công trước đây, mà 
chỉ bổ sung giúp cho quá trình này có năng 
suất cao hơn, hiệu quả hơn cũng như tự động 
điều khiển nhằm giải phóng và tránh các sai 
sót của con người. 
Các cảm biến lực hiện nay rất phổ biến. 
Việc gắn vào các bộ công tác cũng không đòi 
hỏi kỹ thuật cao. Số lượng cảm biến cũng 
không cần nhiều (chỉ cần từ 1 – 2 cảm biến 
cho mỗi cánh). Do vậy, thực hiện phương 
pháp này là hoàn toàn khả thi. 
Trong khuôn khổ bài báo này, số liệu 
được đưa ra hoàn toàn dựa trên các giả thiết 
từ các catalogue và từ sự hỗ trợ của máy tính. 
Do vậy cần có các nghiên cứu tiếp theo 
và các thí nghiệm thực tế để minh họa cho 
phương pháp này 
Tài liệu tham khảo 
[1]. Lê Thanh Đức (2010), Nghiên cứu công nghệ và 
thiết bị phun trộn tạo cọc xi măng đất gia cố nền 
móng trên nền yếu. Thiết kế-chế tạo-thử nghiệm 
mô hình hê thống bộ cánh quay -trộn và hệ 
thống cung cấp chất kết dính tạo cọc của thiết bị. 
Đề tài NCKH,Viện Công nghệ cao, ĐH Nguyễn 
Tất Thành. 
[2]. Zemic Euro. Strain Gauge Catalogue., 
www.Zemiceurope.com 
[3]. Lee W.Abramson Petros P. Xanthakos, Donald 
A. Bruce (1994), Ground control and 
improvement., Copyright C- TN288.X36 1994 by 
John Wiley & Sons, Inc. 
[4]. Keller Holding GmbH, 
www.KellerGrundbau.com. 
[5]. Stefan Larsson. (2003), Mixing Processes for 
Ground Improvement by Deep Mixing., Division 
of Soil and Rock Mechanics,Royal Institute of 
Technology. Stockholm. 
 Ngày nhận bài: 30/5/2018 
 Ngày chuyển phản biện: 2/6/2018 
 Ngày hoàn thành sửa bài: 21/6/2018 
 Ngày chấp nhận đăng: 28/6/2018