1. Giới thiệu

Cọc ống thép có đường kính lớn, thường vượt quá 1 Đồng hồ đo đường kính, là các yếu tố nền tảng trong kỹ thuật dân dụng, Các cấu trúc hỗ trợ như tuabin gió ngoài khơi, cầu, và các tòa nhà cao tầng. Khả năng chuyển tải nặng của họ để sâu hơn, Các lớp đất ổn định hoặc nền tảng làm cho chúng không thể thiếu trong điều kiện địa kỹ thuật thách thức. Nghiên cứu này cung cấp một phân tích chuyên sâu về các phương pháp xây dựng, Lái xe rung, ép thủy lực, và cài đặt dựa trên khoan, tập trung vào các cơ chế kỹ thuật của họ, thiết bị, Tương tác đất, tác động môi trường, và hiệu quả chi phí. Thông qua so sánh chi tiết, nghiên cứu trường hợp, và các mô hình toán học, Nghiên cứu nhằm hướng dẫn các kỹ sư trong việc lựa chọn các phương pháp tối ưu cho các yêu cầu dự án cụ thể.

Các mục tiêu là:

• Phân tích các khía cạnh kỹ thuật và hoạt động của từng phương pháp.
• So sánh các số liệu hiệu suất bằng cách sử dụng dữ liệu định lượng.
• Đánh giá sự đánh đổi về môi trường và kinh tế.
• Làm nổi bật những đổi mới và xu hướng trong tương lai trong cài đặt cọc.

2. Tổng quan về phương pháp xây dựng

Bốn phương pháp chính được sử dụng để lắp đặt cọc ống có đường kính lớn, mỗi loại phù hợp với các loại đất cụ thể, thang đo dự án, và những hạn chế về môi trường:

• Tác động lái xe: Sử dụng búa năng lượng cao để lái cọc xuống đất, Lý tưởng cho đất dày đặc.
• Lái xe rung: Sử dụng các lực dao động để giảm ma sát đất, hiệu quả trong trầm tích lỏng lẻo.
• ép thủy lực: Áp dụng áp suất tĩnh để chèn cọc, giảm thiểu tiếng ồn và độ rung.
• Cài đặt dựa trên khoan: Kết hợp trước khi khoan với chèn cọc, Thích hợp cho đất cứng hoặc đá.

Mỗi phương pháp liên quan đến thiết bị riêng biệt, Tốc độ cài đặt, và xem xét địa kỹ thuật, đòi hỏi phải kiểm tra chi tiết về khả năng ứng dụng của họ.

3. Phân tích chi tiết về xây dựng ==(phương pháp)

3.1 Tác động lái xe

3.1.1 Cơ chế và thiết bị

Tác động Lái xe cọc mang lại những cú đánh năng lượng cao vào đầu cọc bằng cách sử dụng búa diesel hoặc thủy lực. Năng lượng động học của búa vượt qua khả năng chống lại đất, Lái đống đến độ sâu mong muốn. Thiết bị phổ biến bao gồm:

• Búa diesel: Cung cấp 50 trận200 kJ mỗi lần thổi, Thích hợp cho các đống lên đến 3 m có đường kính.
• Búa thủy lực: Cung cấp kiểm soát chính xác với năng lượng lên đến 500 KJ, Lý tưởng cho các ứng dụng ngoài khơi.

Hiệu quả lái xe được điều chỉnh bởi Công thức Hiley:

P = (W_H * h * hoặc) / (S + c/2)

Ở đâu:

• P = công suất cọc cuối cùng (KN)
• W_h = trọng lượng búa (KN)
• h = Drop Chiều cao (m)
• η = Hiệu quả của búa (0.7Cấm0.9)
• s = bộ vĩnh viễn cho mỗi cú đánh (m)
• c = nén tạm thời (m)

3.1.2 Tương tác đất

Lái xe có hiệu quả nhất trong dày đặc, đất dính (ví dụ., Đất sét với sự gắn kết > 50 KPA) hoặc đất hạt có góc ma sát cao (>30°). Nó đấu tranh trong những vùng đất rất mềm (ví dụ., phù sa với sức mạnh cắt không thoát nước < 20 KPA) Do không đủ sức đề kháng và trong các lớp đá do thiệt hại cọc tiềm tàng.

3.1.3 Thuận lợi

• Tỷ lệ thâm nhập cao (0.5–1 m/tôi) trong đất thích hợp.
• Mạnh mẽ, Thiết bị có sẵn rộng rãi với nhiều thập kỷ sử dụng đã được chứng minh.
• Hiệu quả về chi phí cho các dự án quy mô lớn ($50Mạnh100/m).

3.1.4 Thách thức

• Mức độ tiếng ồn cao (>100 DB tại 10 m), vượt quá giới hạn đô thị (ví dụ., 85 DB trong các quy định của EU).
• Rung động (Vận tốc hạt đỉnh > 10 mm/s) nguy cơ làm hỏng các cấu trúc gần đó.
• Thiệt hại đầu cọc trong đất cứng đòi hỏi phải mũ bảo vệ.

3.1.5 Các ứng dụng

Được sử dụng trong nền tảng cầu, nền tảng ngoài khơi, và các cơ sở công nghiệp nơi tải trọng trục cao (ví dụ., 10Mạnh20 mn) được yêu cầu. Ví dụ: Cầu Hồng Kông-Zhuhai-Macao được sử dụng 2.5 m đống được điều khiển bằng 300 KJ búa.

3.2 Lái xe rung

3.2.1 Cơ chế và thiết bị

Búa rung động tạo ra các dao động tần số cao (10Hàng 30 Hz) để giảm ma sát đất, cho phép đống chìm dưới trọng lượng hoặc áp suất ánh sáng của nó. Thiết bị bao gồm:

• Máy rung trọng lượng lập dị: Sản xuất 100 lực 500 kN của lực ly tâm.
• Máy rung thủy lực: Cung cấp tần số thay đổi để điều chỉnh đặc trưng cho đất.

Tỷ lệ thâm nhập phụ thuộc vào lực động:

F_d = m * e * Ω

Ở đâu:

• F_d = lực động (KN)
• m = khối lập dị (kg)
• E = độ lệch tâm (m)
• ω = tần số góc (rad/s)

3.2.2 Tương tác đất

Hiệu quả trong lỏng lẻo, Đất hạt (ví dụ., Cát với mật độ tương đối < 50%) trong đó ma sát bị giảm do hóa lỏng do rung động. Không hiệu quả trong đất sét dày đặc hoặc sỏi do độ bền cắt cao.

3.2.3 Thuận lợi

• Cài đặt nhanh (1–2 m/tôi) trong đất lỏng lẻo.
• Tiếng ồn vừa phải (80Mùi90 dB), thấp hơn lái xe tác động.
• Chi phí vốn thấp hơn ($40Tiết80/m) cho điều kiện phù hợp.

3.2.4 Thách thức

• Sự thâm nhập hạn chế trong đất gắn kết (ví dụ., Đất sét với sự gắn kết > 100 KPA).
• Tiềm năng hóa lỏng đất, giảm công suất bên.
• Yêu cầu kiểm tra đất để xác nhận khả năng ứng dụng.

3.2.5 Các ứng dụng

Lý tưởng cho các dự án ven biển như cảng và breakwaters. Ví dụ: Dubai từ Palm Jumeirah đã sử dụng 1.5 M đống được cài đặt với 200 KN rung động.

3.3 ép thủy lực

3.3.1 Cơ chế và thiết bị

Giắc cắm thủy lực áp dụng áp suất tĩnh (lên đến 10 Mn) để đẩy cọc xuống đất, Thường sử dụng cọc phản ứng hoặc neo để phản biện. Thiết bị bao gồm:

• Nhấn máy: Dung tích 500 trận2000 tấn.
• Hệ thống phản ứng: Khung thép hoặc cọc liền kề cho sự ổn định.

Lực ép phải vượt quá khả năng chống đất:

F_P > Q_S + Q_B

Ở đâu:

• F_p = nhấn lực (KN)
• Q_S = Khả năng chống ma sát da (KN)
• Q_b = điện trở cơ sở (KN)

3.3.2 Tương tác đất

Đa năng trên các loại đất, cung cấp đủ lực phản ứng có sẵn. Tốt nhất cho đất mật độ trung bình (ví dụ., phù sa với spt n-giá trị 10).

3.3.3 Thuận lợi

• Tiếng ồn thấp (<70 DB), tuân thủ các quy định đô thị.
• Rung tối thiểu, bảo vệ các cấu trúc gần đó.
• Độ chính xác cao trong căn chỉnh cọc (± 10 mm).

3.3.4 Thách thức

• Cài đặt chậm (0.1–0.3 m/tôi), Tăng chi phí lao động.
• Chi phí thiết bị cao ($100Mạnh150/m).
• Thiết lập phức tạp cho các hệ thống phản ứng.

3.3.5 Các ứng dụng

Thích hợp cho các dự án đô thị như trạm tàu ​​điện ngầm và nền tảng cao tầng. Ví dụ: Tháp Thượng Hải được sử dụng 2 m cọc được ép vào 1500 tấn.

3.4 Cài đặt dựa trên khoan

3.4.1 Cơ chế và thiết bị

Thuốc trước làm giảm khả năng chống đất, tiếp theo là chèn cọc và vữa tùy chọn. Thiết bị bao gồm:

• Khoan quay: Đường kính lên đến 4 m, với mô -men xoắn > 300 Knm.
• Hệ thống vữa: Tiêm bùn xi măng để tăng cường liên kết.

Khả năng cọc được tăng cường bằng cách vữa:

Q_u = q_s + Q_B + Q_G

Ở đâu:

• Q_u = công suất cuối cùng (KN)
• Q_g = sức mạnh trái phiếu vữa vữa (KN)

3.4.2 Tương tác đất

Hiệu quả trong đất cứng (ví dụ., Rock với UCS > 50 MPa) hoặc các tầng lớp. Vữa giúp cải thiện ma sát da 20% 50%.

3.4.3 Thuận lợi

• Đa năng cho địa chất phức tạp.
• Khả năng tải cao với vữa (lên đến 30 Mn).
• Giảm thiệt hại cọc trong các lớp đá.

3.4.4 Thách thức

• Chi phí cao ($120Mạnh200/m) Do khoan và vữa.
• Cài đặt chậm (0.2Cấm0,5 m/i).
• Khoan xử lý chất thải bổ sung các mối quan tâm về môi trường.

3.4.5 Các ứng dụng

Được sử dụng trong các trang trại gió ngoài khơi và nền tảng sâu. Ví dụ: Trang trại gió của Ngân hàng Dogger đã sử dụng 3 m đống với cài đặt khoan và vữa.

4. Phân tích so sánh

Bảng sau so sánh các phương pháp trên kỹ thuật, thuộc kinh tế, và các thông số môi trường:

Phân tích:

• Lái xe tác động: Hiệu quả về chi phí và mạnh mẽ nhưng không phù hợp với các khu vực thành thị hoặc sinh thái do tiếng ồn và độ rung. Tốt nhất cho các dự án ưu tiên tốc độ và ngân sách.
• Lái xe rung: Phương pháp nhanh nhất trong đất lỏng lẻo, với tác động môi trường vừa phải. Giới hạn bởi loại đất, Yêu cầu khảo sát địa kỹ thuật trước địa điểm.
• ép thủy lực: Lý tưởng cho các dự án đô thị nhạy cảm với tiếng ồn, Cung cấp độ chính xác nhưng với chi phí cao hơn và tốc độ chậm hơn. Hậu cần hệ thống phản ứng có thể trì hoãn thiết lập.
• Dựa trên khoan: Linh hoạt nhất đối với đất cứng, Với khả năng tải cao. Chi phí cao và thách thức quản lý chất thải giới hạn việc sử dụng nó cho các dự án chuyên ngành.

5. Nghiên cứu trường hợp và so sánh dữ liệu

5.1 Nghiên cứu điển hình 1: Nông trại gió ngoài khơi của Dogger Bank (Biển Bắc)

Tổng quan dự án: Cài đặt 3 đường kính m cọc trong đáy biển cứng (Đá sa thạch, UCS ~ 60 MPa). Lắp đặt dựa trên khoan đã được chọn do khả năng chống đất.

Chi tiết:

• Thiết bị: Máy khoan quay Bauer BG50, 400 KNM Mô -men xoắn.
• Độ sâu: 40 m mỗi cọc.
• Thời gian: 12 giờ mỗi cọc (0.3 m/của tôi).
• Trị giá: $180/m, bao gồm cả vữa.
• Thách thức: Khoan xử lý chất thải yêu cầu xà lan ngoài khơi.

kết quả: Đạt được 25 Công suất mn trên mỗi cọc, cuộc họp yêu cầu thiết kế. Lái xe rung đã được kiểm tra nhưng thất bại do tỷ lệ từ chối cao.

5.2 Nghiên cứu điển hình 2: Quỹ Thượng Hải (Trung Quốc)

Tổng quan dự án: Cài đặt 2 đường kính m cọc trong một khu vực đô thị dày đặc với đất sét mềm (Cu ~ 30 kPa). Nhấn thủy lực đã được chọn cho tiếng ồn thấp.

Chi tiết:

• Thiết bị: Giken Mũi tên im lặng, 1200-Năng lực tấn.
• Độ sâu: 50 m mỗi cọc.
• Thời gian: 15 giờ mỗi cọc (0.2 m/của tôi).
• Trị giá: $130/m.
• Thách thức: Thiết lập đống phản ứng bị trì hoãn bởi 2 ngày.

kết quả: Mức độ tiếng ồn dưới đây 65 DB, tuân thủ giới hạn đô thị. Đạt được 15 Khả năng MN.

5.3 Nghiên cứu điển hình 3: Mở rộng cảng Dubai

Tổng quan dự án: Cài đặt 1.8 đường kính m cọc trên cát lỏng (Mật độ tương đối ~ 40%). Lái xe rung được sử dụng cho tốc độ.

Chi tiết:

• Thiết bị: ĐÁ 416 Búa rung, 300 KN lực.
• Độ sâu: 30 m mỗi cọc.
• Thời gian: 4 giờ mỗi cọc (1.5 m/của tôi).
• Trị giá: $60/m.
• Thách thức: Sự hóa lỏng tạm thời giảm công suất bên bằng cách 10%.

kết quả: Cài đặt nhanh đã đáp ứng thời hạn dự án chặt chẽ. Năng lực của 10 MN đủ cho tải cổng.

5.4 Dữ liệu so sánh

Phân tích: Các phương pháp dựa trên khoan vượt trội trong đất cứng nhưng tốn kém và chậm. Tăng áp suất thủy lực cân bằng chi phí và tuân thủ môi trường trong môi trường đô thị. Lái xe rung nhanh nhất và rẻ nhất nhưng giới hạn ở đất lỏng lẻo với nhu cầu công suất vừa phải.

6. Thách thức và đổi mới

6.1 Thách thức

• Sự biến đổi địa chất: Các tầng lớp không thể đoán trước (ví dụ., những tảng đá trên cát) có thể tạm dừng lái xe hoặc yêu cầu thay đổi phương pháp.
• Quy định môi trường: Giới hạn tiếng ồn chặt chẽ hơn (ví dụ., 85 DB ở EU) và bảo vệ động vật có vú..
• Quản lý chi phí: Cân bằng cho thuê thiết bị, nhân công, và chi phí vật chất là rất quan trọng cho lợi nhuận.
• Thiệt hại cọc: Đất cứng có thể gây ra sự vênh hoặc nứt, Yêu cầu sửa chữa tốn kém.

6.2 Sáng kiến

• Giảm thiểu tiếng ồn: Rèm bong bóng làm giảm tiếng ồn dưới nước bằng 10 trận20 dB cho lái xe tác động ngoài khơi.
• Giám sát tự động: Cảm biến theo dõi căn chỉnh đống và điện trở đất trong thời gian thực, Cải thiện độ chính xác của 15%.
• Phương pháp lai: Kết hợp rung và khoan làm giảm thời gian cài đặt bằng cách 20% trong đất hỗn hợp.
• Vật liệu thân thiện với môi trường: Cọc tổng hợp với thép tái chế làm giảm dấu chân carbon bằng cách 10%.

7. Mô hình toán học

Để định lượng lựa chọn phương pháp, Một mô hình quyết định có thể được sử dụng:

S = w_1*c + w_2*t + w_3 * e + w_4*l

Ở đâu:

• S = điểm phù hợp
• C = chi phí ($/m, bình thường hóa)
• T = thời gian cài đặt (m/của tôi, bình thường hóa)
• E = Tác động môi trường (tiếng ồn/độ rung, bình thường hóa)
• L = công suất tải (Mn, bình thường hóa)
• w_i = các yếu tố trọng số (ví dụ., 0.3, 0.2, 0.3, 0.2)

Ví dụ: Cho a 2 m đống trong đất sét, Nhấn thủy lực có thể đạt điểm cao hơn do E thấp, Mặc dù cao hơn c.