Phương pháp cố kết chân không đã được áp dụng thành công ở một số nước. Trung Quốc là nước đã thiến hành thử nghiệm đầu tiên do thiếu vật liệu gia tải trước, tuy nhiên việc ứng dụng thực tế trên cơ sở hiểu biết đầy đủ về cơ chế, pha khí được giữ liên tục để hút chân không, đã được thực hiện bởi giáo sư J.M. Cognon. Lý thuyết và áp dụng thực tế được trình bày trong bày viết này, Công nghệ hút chân không thực hiện ở nhà máy điện, đạm Cà Mau nằm ở điểm cực nam Việt Nam, gần thành phố Cà Mau, bao gồm hai nhà máy, mỗi nhà máy có công suất 720MW.
Trang 1Áp dụng thực tế phương pháp cố kết bằng hút chân không công trình
nhà máy điện đạm Cà Mau ở Việt Nam
Phương pháp cố kết chân không đã được áp dụng thành công ở một số nước Trung Quốc
là nước đã thiến hành thử nghiệm đầu tiên do thiếu vật liệu gia tải trước, tuy nhiên việc ứng dụng thực tế trên cơ sở hiểu biết đầy đủ về cơ chế, pha khí được giữ liên tục để hút chân không, đã được thực hiện bởi giáo sư J.M Cognon Lý thuyết và áp dụng thực tế được trình bày trong bày viết này, Công nghệ hút chân không thực hiện ở nhà máy điện, đạm Cà Mau nằm ở điểm cực nam Việt Nam, gần thành phố Cà Mau, bao gồm hai nhà máy, mỗi nhà máy có công suất 720MW
Đất nền tự nhiên ở đây là đất bồi tích trẻ bao gồm 17m sét yếu với các tính chất bất lợi phủ lên trên các lớp sét dẻo mềm đến dẻo cứng quá cố kết
Nhiệm vụ đặt ra là phải có được một nền đắp ổn định với cao độ trung bình là +2,9m, cao hơn mực nước lũ 100năm, trong thời gian rất ngắn (do yêu cầu dự án), ở điều kiện vùng rất thiếu vật liệu đắp Giải pháp dùng bấc thấm + gia tải đã được sử dụng khi thời gian kế hoạch đảm bảo và phương pháp chân không Menard đã được sử dụng cho vùng có sức chịu tải lớn hơn (tới 10t/cm2) hoặc khi thời gian yêu cầu quá ngắn
Các công tác cải tạo đất đã được hoàn thành đúng hạn Hệ thống quan trắc, theo dõi cho phép đánh giá thời điểm kết thúc cố kết bằng phân tích ngược có sử dụng phương pháp ASAOKA và phương pháp hạ áp lực nước lỗ rỗng
1 Giới thiệu
Bài này trình bày ứng dụng thành công lần đầu tiên ở Việt Nam về phương pháp cố kết chân không Phương pháp cố kết chân không đã được áp dụng thành công ở một số nước, trên vùng xưa kia là cánh đồng Một diện tích 90ha được dành cho nhà máy liên hợp khí, điện, đạm Giai đoạn I xây dựng nhà máy điện 720MW Giai đoạn II là xây dựng nhà máy điện thứ 2 có cùng công suất và giai đoạn III là xây dựng nhà máy có công suất 800.000tấn/năm
2 Giới thiệu công trình
2.1 Giới thiệu chung
Nhiệm vụ khó khăn của công trình là tăng chiều cao đắp và ổn định nền đắp với bề dày trung bình là 2m đặt trên lớp sét yếu dày 17m và cải tạo để chịu được các tải trọng khác nhau trong giới hạn lún dư cho hệ thống móng bè Ngoài ra, công trình cũng đòi hỏi phải hoàn thành trong thời gian rất ngắn
2.2 Mô tả công trình
Nhà máy điện bao gồm nhiều hạng mục công trình khác nhau xung quanh công trình trung tâm nhà máy, đó là nhà máy điện (2 tua - bin khí và 1 tua - bin hơi)
Các yêu cầu về thiết kế cho cố kết như sau:
+ Lún dư không được vượt quá 10cm/10 năm cho toàn bộ diện tích xây dựng, đối với mỗi cấp tải được xét
+ Sức chịu tải nhỏ nhất là 2t/m2 cho toàn bộ diện tích xây dựng, ngoại trừ:
Trang 2+ Hạng mục nhà máy, yêu cầu có sức chịu tải là 5t/m2
+ Phía dưới tháp làm mát có sức chịu tải yêu cầu là 8t/m2
+ Dưới một số bồn chứa có sức chịu tải yêu cầu là 10t/m2
Bộ phận quan trọng nhất của nhà máy là phần chia nước của nhà máy, đòi hỏi phải được hoàn thành trong vòng 8 tháng từ khi bắt đầu đặt thiết bị tiêu nước thẳng đứng đầu tiên
2.3 Điều kiện đất nền
Công tác khảo sát địa chất công trình đã được triển khai trên toan bộ diện tích của khu liên hợp.Bề dày của lớp sét yếu là ổn định, thay đổi từ 16m đến 17m; nằm trên lớp sét dẻo cứng đến dẻo mềm
Để xem xét sự suy giảm các đặc điểm cố kết của lớp sét yếu, 3 trường hợp được xem xét: + Trường hợp thông thường, ứng với giá trị trung bình cộng của mỗi chỉ tiêu
+ Trường hợp xấu nhất, xét tổ hợp các chỉ tiêu bất lợi nhất
+ Trường hợp tốt nhất, xét tổ hợp các chỉ tiêu thuận lợi nhất
Bảng 1 Các chỉ tiêu của đất nền
thường
Xấu nhất
Tỷ số giữa cố kết ngang và cố
kết đứng
Cố kết theo phương
ngang(hướng tâm)
3 Phân tích giải pháp
3.1 Sự cần thiết của cố kết
Do tải trọng nền đất sẽ lún tự nhiên trong vòng 25 năm, tuổi thọ của nhà máy điện, độ lún
tự nhiên dự đoán là liớn hơn 1,0m Độ lún đó không đảm bảo bệ nằm trên mực lũ 100năm, nhưng quan trọng hơn, độ lún đó sẽ ảnh hưởng đến công tác duy trì bảo dưỡng cũng như làm ảnh hưởng đến móng cọc của các hạng mục (ma sát âm)
Chính vì vậy, chủ đầu tư quyết định tiến hành cố kết đất trước khi tiến hành các công tác xây dựng
Trang 33.2 Lựa chọn phương án
Một vài phương án được xét trong giai đoạn bỏ thầu, cụ thể là:
- Bấc thấm+ gia tải trước
- Phương pháp cố kết chân không Menard,
- Trộn xi măng dưới sâu
- Cọc đá
Phương án đầu tiên rất nổi tiếng và đã được áp dụng rộng rãi ở Việt Nam Hạn chế duy nhất là tốc độ gia tải (cứ 3 tuần lại đắp thêm 0,5m tải), do sức chống cắt của sét ban đầu thấp và giá thành đắp tải cao, cát sẽ phải được vận chuyển bằng xà lan khoảng 200km từ Cần Thơ
Các phương án sau thuận lợi về tốc độ nhưng giá thành cao Đối với dọ đá, nguồn vật liệu
đá thậm chí còn xa hơn so với vật liệu cát, ở Châu Đốc, khoảng 350km hạn chế chính của 2 phương án này là đòi hỏi cần xác định sự phân bố các cọc ở ngay giai đoạn đầu của các hạng mục có tải trọng lớn, tránh bố trí cọc đá trùng với cọc móng Điều này không phù hợp với thực tế xây dựng; nó phải được xác định trong quá trình triển khai xây dựng,
vị trí một số cọc sẽ phải được sửa lại trước khi xây dựng một vài tuần
Giải pháp được giữ lại cuối cùng là dùng bấc thấm + gia tải cho vùng có yêu cầu sức chịu tải là 2t/m2 và sử dụng phương pháp cố kết chân không cho vùng quan trọng và những nơi có tải trọng trên 2t/m2 Bài này sẽ tập trung vào các công tác cố kết chân không
4 Khái niệm
4.1 Nguyên tắc
Như phương pháp bấc thấm + gia tải, chúng ta đã tiến hành làm cố kết trước lớp sét (phương pháp Buismann) Các giai đoạn thiết kế như sau:
a)Tính khả năng cố kết có thể xảy ra nếu không xử lý trong giai đoạn xét
b) Xét sự suy giảm độ cố kết đến sẽ đạt được để đạt đến độ lún cố kết thứ cấp cần thiết c) Tính các thông số lưới bố trí thiết bị tiêu nước thẳng đứng xét đến giai đoạn tiền cố kết
4.2 Sự khác nhau giữa gia tải và cố kết chân không
Khi áp dụng biện pháp gia tải cổ điển, ứng suất hiệu quả trong khối đá tăng lên bởi ứng suất tổng tăng do tải trọng Cố kết chân không gia tải trước cho toàn bộ khối đất bằng cách giảm áp lực nước lỗ rỗng trong khi giữ nguyên ứng suất tổng Điều đặc biệt của phương pháp chân không của JM GOGNON (Cognon, 1991 – Cognon và các tác giả) là hút nước dưới màng thấm, giữ pha khí không đổi giữa màng thấm và mực nước ngầm hạ thấp
4.3 Lắp đặt cố kết chân không
Sau khi lắp đặt thiết bị tiêu nước thẳng đứng và lớp cát, các thiết bị tiêu nước nằm ngang được đặt, tiếp theo là màng chống thấm bằng nhựa tổng hợp Màng chống thấm được bọc
ở bên ngoài đến tận lớp sét yếu để đảm bảo không thấm nước Các thiết bị thoát nước ngàn được đặt xuyên qua lớp màng chống thấm nối tới máy bơm hút sẽ đảm bảo duy trì
Trang 4điều kiện chân không dưới lớp vải chống thấm và trong tất cả các khối đá mà vật tiêu nước thẳng đứng được đặt
5 Thiết kế công trình Cà Mau
5.1 Giả thuyết
Điều kiện đất nền như trình bày trong bảng 1 ở trên, xét 3 trường hợp 4 trường hợp tải trọng được xét: 2,5,8 và 10t/m2 Cố kết trước lớp sét đến 100% độ lún sơ cấp dưới trường hợp tải trọng và có xét đến phòng lún từ biến trong vòng 10 năm
5.2 Độ lún cuối cùng
Tổng độ lún sẽ không chỉ phụn thuộc vào tải trọng thiết kế mà còn phụ thuộc vào tải trọng đắp và cả lớp phủ để giữ cho nền đắp có độ cao thiết kế Do vậy cần có tính toán lặp, độ lún cuối cùng phụ thuộc vào lớp đắp bù
Độ lún thứ cấp phụ thuộc vào tải trọng, đầu tiên chúng ta xác định độ lún từ biến tương ứng với 10 năm Tiếp đó độ lún sơ cấp phụ thuộc vào tổng tải trọng sẽ được xác định
a) Lún từ biến:
Lún từ biến chỉ phụ thuộc vào thời gian:
T final
Δe s-10years = C αee log ( ) (1)
T initial
Δe s-10years
ΔH s-10years = H* (2)
1+ e o
Có các quan niệm khác nhau về hiện tượng lún từ biến theo thời gian
+ Hiện tượng lún từ biến bắt đầu ngay khi tải trọng tác dụng lên sét yếu hơn ứng suất cố kết thông thường
+ Hiện tượng lún từ biến bắt đầu sau khi cố kết sơ cấp kết thúc (về lý thuyết là vô hạn) hoặc gần kết thúc
+ Cố kết sơ cấp và thứ cấp xảy ra liên tục và đồng thời với nhau
Thực tế, cố kết thứ cấp phụ thuộc vào sự tiêu tán áp lực nước lỗ rỗng trong lớp sét, ảnh hưởng này phụ thuộc vào độ sâu mà đất sét được xét: gần lớp thoát nước,như ở trên đỉnh
và dưới đáy lớp sét, tại đó nước thoát theo 2 chiều hoặc gần vật liệu tiêu nước thẳng đứng, tốc độ cố kết sơ cấp rất nhanh và do đó quá trình cố kết thứ cấp (từ biến) bắt đầu rất nhanh trong khi ở giữa lớp sét hoặc ở những điểm xa vật tiêu nước thẳng đứng, tốc độ cốm kết xảy ra chậm hơn và cố kết từ biến cũng bắt đầu sau
Chúng ta sẽ ưu tiên về hướng an toàn hơn và do đó lún từ biến bắt đầu vào ngày 1, làm việc thực tế (1) và (2) cho các trường hợp tải trọng thiết kế khác nhau, ta có:
Trang 5Bảng 2 Cố kết từ biến sau 10 năm
Cố kết thứ cấp (10 năm) trong các trường hợp
b) Cố kết sơ cấp:
Cố kết sơ cấp phụ thuộc vào sự gia tăng ứng suất tại bất kỳ điểm nào:
σ 1 + Δσ final1
Δe primary = Cc log ( ) (3)
σ 1
Ở điều kiện ban đầu, ứng suất ở giữa lớp sét như sau:
7
σ 1 = (14.6 -10) = 39.1kPa
2
hệ số rỗng ban đầu eo = 2.148 Biến đổi (3), (4) và (2) ta có:
Bảng 3 Độ lún sơ cấp
Độ lún sơ cấp (10năm)
điều kiện tải
trọng trường hợp tốt thông thường xấu
và độ lún cuối cùng như sau:
Bảng 4 Tổng độ lún cuối cùng
Độ lún sơ cấp (10năm)
điều kiện tải
trọng
trường hợp tốt
thông thường xấu
Trang 6Lưu ý rằng độ lún dự đoán không phải là giá trị tuyệt đối ở thời điểm cố kết kết thúc Đây
là chỉ dẫn tốt để xác định độ cao lớp đắp bù để tính nhưng thời điểm cố kết chấm dứt được xác định bởi phân tích ngược và quá trình cố kết thực tế (xem phần 6 Quan trắc) Các giá trị trên hầu hết được sử dụng để xác định tỷ số cố kết, dưới điều kiện tải trọng tạm thời cao hơn, các thông số của đất là không đổi, như ở bước tính toán tiếp theo Ứng suất tương ứng với độ lún dự đoán như trong bảng 5 sau đây:
Bảng 5 Úng suất cuối cùng ở giữa lớp/sự thay đổi hệ số rỗng
ứng suất ở giữa lớp sét
ứng suất ban
đầu (σ1 )
ứng suất phụ
thêm (Δσ1)
5.3 Hệ số cố kết dự đoán
Ở thời điểm cuối của giai đoạn cố kết ứng suất phụ thuộc vào tải trọng áp dụng tạo ra bởi
áp suất chân không và tải trọng lớp đắp phụ thêm nếu có
Trong các trường hợp ta xét, áp suát chân không dự kiến là 70kPa và bề dày lớp gia tải trước như sau:
+ Không có gì đối với trường hợp tải trọng 5t/m2, ứng suất tổng gây ra ở giữa lớp sét là 39+ (86-20)+70=175kPa
+ 2m đối với trường hợp tải trọng 8t/m2, ứng suất tổng gây ra ở giữa lớp sét là 39+ (154-80)+70+5*18=273kPa,
+7m đối với trường hợp tải trọng 10t/m2, ứng suất tổng gây ra ở giữa lớp sét là 39+ (175-100)+70+
Biến đổi (3) cho các trường hợp tải trọng để xác định ứng suất sau khi xây dựng trong điều kiện áp lực tiền cố kết, chúng ta xác định sự biến đổi hẹ số rỗng tương ứng Δe 2inf Mặt khác, cần xét ảnh hưởng của lún từ biến đến hệ số rỗng Δes (8months =>10 years), diễn ra giữa thời gian cố kết trước (8 tháng) và 10 năm
Trang 7Bảng 6 Độ cố kết khi gia tải trước
Độ cố kết ở thời điểm kết thúc gia tải trước
5.4 Độ cố kết lý thuyết
Dùng công thức Carillo đã được Hansbo cải tiến để xét đến vùng xáo động, độ cố kết được tính như sau:
1/2
1 C v1 -8C r1 n 3 kh
U r ≡ with T r = ; U r = 1-exp( ) with μ =1n( )- + 1n(s)
1 H 2 D 2 μ s 4 k’ h
1+
2T r
n= D/d
D=1.13L (lưới bố trí hình vuông, L là khoảng cách giữa 2 vật tiêu nước)
s=2 (tỷ số giữa đường kính của vùng xáo động và đường kính tương đương của vật tiêu nước)
Kh/K’h = 2,5 (tỷ số giữa hệ số thấmngang của vùng xáo động và vùng không xáo động) Cuối cùng , Carillo đưa ra: ( 1-U) = (1-Ur)( 1-Uv)
Với các vật tiêu nước thẳng đứng có kích thước 100mmx3mm có đường kính tương đương là 6.5cm bố trí theo dạng hình vuông 0,9m x 0,9m và với giai đoạn cố kết là 5,5 tháng, cuối cùng ta có hệ số cố kết là 90%, cao hơn độ cố kết cần thiết cho tất cả các trường hợp tải trọng Đối với trường hợp xâu nhất, độ cố kết là 87% đủ để đạt tới độ cố kết yêu cầu
5.5 Độ lún từ biến
Khi kết thúc cố kết trước và dỡ tải, lún từ biến sẽ tiếp tục nhưng đã được tối thiểu cố kết trước 10 năm (như đã trình bày ở trên) và độ lún từ biến theo lý thuyết còn lại sẽ là sau khi xử lý 10 năm
C α T initial – 10years
Δe = *log ( )
1+e o T initial
trong đó, Tinitial > 10 năm, do vậy:
Trang 8C α
Δe < * log (2) = 9E – 3
1+e o , và cuối cùng ΔH <48mm khá thấp hơn so với yê cầu
là 100mm
6 Quan trắc
Như đã đề cập, độ lún đạt được hay không, thì vẫn phải chỉ số tốt về hiện trạng cố kết đạt được của lớp sét trong giai đoạn cố kết trước, do độ lún dự kiến phụ thuộc nhiều vào tính đại diện của các mẫu đất và chất lượng thí nghiệm trong phòng Quá trình cố kết dù thế nào cũng rõ hơn và việc theo dõi quá trình này đầy đủ và chặt chẽ Qúa trình đó được dự tính bằng 2 cách:
+ Phương pháp Asaoka;
+ Phương pháp giảm áp lực nưóc lỗ rỗng
6.1 Thiết bị quan trắc
Hệ thống quan trắc bao gồm:
+ Các bàn lún, đo lún trên mặt tai hiện trường
+ Thiết bị đo lún theo chiều sâu, đo độ lún của đất tại các độ sâu khác nhau
+ Các thiết bị cảm ứng đo áp lực nước lỗ rỗng, theo dõi quá trình tiêu tán áp lực nước lỗ rỗng theo thời gian cố kết
+ Thiết bị đo độ nghiêng, kiểm tra độ ổn định của khối đắp
Bảng 6 Thiết bị quan trắc
đọc
Phân tích Phương pháp
tần suất
Thiết bị đo
chân không Quan trắc sựgiảm áp lực
do hút chân không
bộ phận cảm
ứng đó áp lực
nước lỗ rỗng
Đo tốc độ suy giảm áp lực nước lỗ rỗng
lần
tốc độ suy giảm áp lực nước lỗ rỗng
1 tháng 1 lần
Thiết bị đo độ
lún ở dưới sâu
Đo độ lún ở các độ sâu khác nhau
lần
lần
Trang 9Thiết bị đo độ
lệch kiểm tra độổn định của
khối đắp
150m đối với mái dốc đắp cao
1 tuần 1 lần kiểm tra ổnđịnh 1 tháng 1lần
6.2 Phân tích theo phương pháp Asaoka
Phân tích theo Asaoka sử dụng các giá trị theo dõi được của độ lún để xác định các thông
số cố kết và từ đó kiểm tra lại thiết kế với số liệu thu được Theo lý thuyết cố kết, đối với tải trọng không đổi, đường quan hệ này là đường thẳng sẽ giúp ta tính các thông số cố kết khác nhau ở điều kiện thực tế, gồm có độ lún sơ cấp (tại vị trí giao của đứờng thẳng với đường trung tuyến) Thực tế, quy luật lún lý thuyết như sau:
8
s(t) = s ∞ (1- exp ( - C*t) )
π 2
C r π 2 C v
C = +
D 2 F(n) 4H 2
trong đó: Cr hệ số cố kết hướng tâm
Cv hệ số cố kết theo phương thẳng đứng
t thời gian
D đường kính ảnh hưởng của thiết bị tiêu nước
(D = 1.13 L đối vói lưới hình vuông, L giá trị kích thước lưới)
d đường kính tương đương của thiết bị tiêu nước
n=D/d
6.3 Phân tích theo sự suy giảm áp lực nước lỗ rỗng
Phương pháp tính theo sự suy giảm áp lực nước lỗ rỗng sử dụng các giá trị tốc đô giảm của áp lực nước lỗ rỗng để tính thông số cố kết và kiểm tra lại thiết kế với các số liệu thực tế Quy luật áp lực lỗ rỗng lý thuyết như sau:
u (r,Cr, t) = A(r) exp (- B (Cr)t)
r là khoảng cách điểm xét đến thiết bị tiêu nước thẳng đứng gần nhất
Cr hệ số cố kết hướng tâm
Cv hệ số cố kết theo phương thẳng đứng
t: thời gian
D: đường kính ảnh hưởng của thiết bị tiêu nước
(D= 1.13L đối với lưới hình vuông, L giá trị kích thước lưới
d đường kính tương đương của thiết bị tiêu nước
n=D/d
Trang 10Thiết lập sự thay đổi áp lực nước lỗ rỗng theo thời gian, đối với giá trị r không đổi (tại vị trí thiết bị đo áp lực nước lỗ rỗng cố định) và đối với giá trị Cr không đổi, ta có:
∂
= - B(Cr) A(r) exp (-B(Cr)t)
∂ giá trị tốc độ suy giảm áp lực nước lỗ rỗng
Đối với 2 thời điểm khác nhau, T1 và T2, và đối với giá trị r và Cr cố định, ta thu được:
∂ u
∂ t T1
= exp ( - B(Cr)(T1-T2))
∂ u
∂ t T2
Hệ số B(Cr) được cố định theo thời gian và chỉ phụ thuộc vào kích thước thưc tế của công trình và Cr, do vạy có thể xác định lại một cách đơn giản giá trị Cr không theo qua trắc áp lực nước lỗ rỗng (tất nhiên là đối với một thiết bị cảm ứng và chỉ phụ thuộc vào
vị trí của thiết bị đó so với vị trí của vật tiêu nước) bằng cách tính tỷ số giữa tốc độ suy giảm áplực nước lỗ rỗng ở 2 thời điểm khác nhau
7 Kết luận
Sau Thái Lan, Hàn Quốc, Malaysia, Việt Nam có thể nằm vào danh sách những nước ở châu Á có sử dụng thành công công nghệ cố kết chân không Giải pháp này là lựa chọn lý tưởng cho phương pháp tỉêu nước thẳng đứng và gia tải đối với công trình đòi hỏi tốc độ thi công nhanh, đặc biệt đối với đất yếu khi mà ổn định của khối đất đắp giảm mạnh khi đắp
Với diện tích rất lớn có đất yếu cùng với nhu cầu phát triển không gian đô thị, sự cạn kiệt nguồn vật liệu làm tăng gia chất tải, phương pháp cố kết chân không đặc biệt phù hợp với điều kiện Việt Nam
Theo Serge Varaksin
(Nguồn tin: Tập bài giảng “Về xử lý đất yếu và kỹ thuật nền móng công trình, 5/2007)
