Cố kết động và thay thế động cho móng bồn chứa dầu cỡ lớn

Cố kết động (DC) là phương pháp xử lý nền cơ học làm tăng độ chặt của đất nền bằng cách sử dụng ngoại lực tác dụng trong khoảng thời gian ngắn (đầm chặt). Phương pháp này thường được s

Cố kết động và thay thế động cho móng bồn chứa dầu cỡ lớn

S Varaksin, R Ong, K Yee & L T Wong *

Menard Soltraitement, 2 Rue Gutenberg BP 28.91620 No2ay Svaraksin@menard-soietraiment.com France

Menard Geosystems, Malaysia menard@streamyx.com

CÔNG NGHệ NềN MóNG

Dynamic Consolidation and Dynamic Replacement for Large Oil Tank Foundation

Abstract: Ground improvement techniques have been adopted as alternative solution to rigid

foundation of large oil tanks whenever the situation permits This paper highlights the utilisation of dynamic consolidation and dynamic replacement method to improve the subsoil for the construction of two large oil tanks with diameter up to 69 m in Vietnam In this project, dynamic consolidation is used to treat the sandy deposit beneath a product tank up to depth of 8 m; dynamic replacement combined with ring trench is adopted to treat compressible clayey silt up to depth of 7 m to support a crude oil tank The post treatment in-situ geotechnical tests performed as acceptance tests confirmed both ground improvement methods adopted have successfully increased the allowable bearing capacity of the subsoil up to 280 kPa and limit the maximum post construction settlement to be less than 300 mm, which fulfil the performance criteria of the project.

1 GIớI THIệU

1.1 Cố kết động

Cố kết động (DC) là phơng pháp xử lý nền

cơ học làm tăng độ chặt của đất nền bằng cách

sử dụng ngoại lực tác dụng trong khoảng thời

gian ngắn (đầm chặt) Phơng pháp này thờng

đ-ợc sử dụng để làm chặt đất rời tự nhiên hoặc

đất đắp với hàm lợng hạt mịn (đờng kính hạt

nhỏ hơn 63 àm) không vợt quá 20 tới 35% Kết

quả xử lý cho ta thấy, cờng độ của đất gia tăng

trong khi tính nén lún và độ lún của đất nền

giảm Hơn nữa, cố kết động còn làm gia tăng

sức chịu tải khi chịu tải trọng tuần hoàn của đất

rời, do đó phơng pháp này còn đợc sử dụng nh

phơng pháp hữu hiệu để xử lý hạn chế khả

năng hóa lỏng của đất

Kỹ thuật này đợc khởi xớng và phát triển

thành công bởi Louis Menard (ngời đã sáng

chế ra đồng hồ đo áp suất) cùng các cộng sự

Trình tự làm chặt bao gồm nhiều bớc với

năng lợng tác dụng thay đổi theo khoảng thời

gian khác nhau và phụ thuộc vào vật liệu đợc làm chặt, bề dày và độ chặt cố kết yêu cầu Với mỗi loại vật liệu không bão hòa, chấn

động gây tác dụng đầm chặt có thể dựa trên phân tích kết quả thí nghiệm đầm chặt Proctor Với vật liệu bão hòa và ngập nớc, chấn động do sóng gây ra đợc minh họa theo sơ đồ 1 nh sau: Rất phức tạp với đất bão hòa hoặc đất không thấm nớc, hai loại sóng đã đợc quan sát với mỗi lần tác động

a) Sóng dạng khối;

b) Sóng theo bề mặt

Sóng dạng khối đợc chia thành 2 dạng: a) Sóng nén chặt hay sóng sơ cấp (P) đợc truyền trong giai đoạn hóa lỏng tơng tự nh sóng

âm truyền trong không khí Loại sóng này làm tăng sau đó làm giảm áp lực nớc lỗ rỗng là kết quả đầu tiên của quá trình sắp xếp lại các cốt liệu

b) Sóng cắt hay sóng thứ cấp (S) di chuyển chậm hơn và có thể chỉ ra để truyền qua các hạt cốt liệu và làm các hạt sắp xếp lại Quá trình sắp xếp lại các hạt cốt liệu làm đất chuyển

* Menard Soltraitement, 2 Rue Gutenberg BP 28.91620

No2ay Svaraksin@menard-soietraiment.com France

Hình 1 Sóng rung động trong quá trình đầm

rung - phần hình vẽ phía trên là của R.D

Woods (1968).

Đối với trờng hợp sóng bề mặt, chuyển động

trợt xảy ra song song với bề mặt đất (mặt phẳng

trợt có thể song song hoặc vuông góc với hớng

dịch chuyển) gây ra tác động với đất tơng tự nh

sóng cắt

Do độ mạnh chấn động tác dụng, sự ứng xử

của đất nền và khoảng cách tới điểm tác động,

làm xuất hiện sự tăng áp lực nớc lỗ rỗng thờng

xuyên do lực cắt Giá trị áp lực nớc lỗ rỗng gia

tăng đợc theo công thức sau:

soct và ioct xác định theo công thức:

σoct - ứng suất đẳng hớng trung bình;

τoct - ứng suất cắt trung bình;

Cs và Cv là các chỉ số nén lún;

n là độ lỗ rỗng;

D là hệ số nở

Với đất bão hòa, Cv là rất nhỏ so với Cs và phân tố trong ngoặc trở thành xác định Giá trị này có thể giảm xuống là 0,2 với độ bão hòa là 90%

S C

D

3 có thể thay đổi từ 3

4 + đến

3

4

− phụ thuộc vào loại đất và cấu trúc ban đầu của đất Trong quá trình đầm rung, đất khá rời nh thế

S C

D

3 và u đều có giá trị dơng.

Mỗi lần đầm làm tăng áp lực nớc lỗ rỗng và khi đất đạt tới trạng thái hóa lỏng năng lợng bị tiêu tán (hình 2) Giai đoạn cuối quan sát thấy

đất tăng cờng độ (hình 3)

Hình 2 áp lực nớc lỗ rỗng gia tăng trong quá

trình đầm chặt

Sự tiêu hao áp lực nớc lỗ rỗng tới hạn quan sát thấy nhanh hơn so với xác định bởi hệ số thấm của đất hoặc với quá trình gia tải tĩnh Đó

là do các khe nứt xuất hiện và phát triển theo phơng hớng tâm từ vị trí tác dụng tạo đờng thoát cho nớc lỗ rỗng Quá trình hóa lỏng là đất tăng tính thấm

Khí ở dạng bọt bị nén trong quá trình đầm và

đóng vai trò là nguồn áp lực ép nớc ra khỏi đất nền Rất khó để định lợng hiện tợng trong quá trình cố kết động

Sóng P

Tăng áp lực nước lỗ rỗng

làm sắp xếp lại các hạt

Sóng P

Cắt các hạt đất

Làm các hạt sắp xếp chặt hơn

áp lực, triệu bar

mức bão hòa

1 Năng lợng tác dụng với tm /m²

2 Sự thay đổi thể tích theo thời gian

3 Tỷ số áp lực nớc lỗ rỗng với áp suất hóa

lỏng

4 Sự biến đổi sức chịu tải

5 - Đờng bao xử lý

Hình 3 Sự biến đổi các đặc tính của đất

với các giai đoạn cố kết động

Đầm chặt đất dính không bão hòa đã đợc ứng

dụng rộng rãi, trong khi đó xử lý đất dính bão hòa

mới chỉ đợc quan tâm về mặt lý thuyết

L Rendulic đã từng nghiên cứu cố kết 3

chiều hớng tâm

R Barron đã hoàn chỉnh công thức xét đến

ảnh hởng của việc cản trở thoát nớc Hơn nữa,

những nghiên cứu áp dụng cho trờng hợp bề mặt biến dạng tự do và biến dạng thẳng đứng

đồng nhất

Với các giả thuyết của K Terzaghi về cố kết, nghiên cứu ảnh hởng chung của việc gia tăng

áp lực nớc lỗ rỗng có thể biểu diễn dới dạng giả thiết của một nền đắp vô hạn đặt trên lớp sét có tính nén lún mạnh trong khoảng thời gian t1 Giả thiết đặt ra là áp lực nớc lỗ rỗng tạo ra

do các va chạm bằng với áp lực nớc lỗ rỗng tạo

ra bởi tải trọng nền đắp

Quá trình cố kết này với khoảng thời gian t’f, trong đó

Công thức sau cho phép so sánh thời gian

t-ơng đt-ơng của quá trình cố kết đạt đợc t’f có ảnh hởng và tf không bị ảnh hởng

Do đó t'f = U1t1 + (1- U1 ) t f Bảng 1 cho phép ta so sánh đợc thời gian cố kết đạt đợc tại các thời điểm có mức độ cố kết khác nhau:

Bảng 1

Nếu cố kết sơ cấp kết thúc

U = 0,9 hoặc T = 0,848 nếu du = U1Ds

ta có t'f = U1t1 + (1- U1 ) t f

Độ cố kết tối u diễn ra trong khoảng U1 = 60%

Có thể kết luận về mặt lý thuyết, thời gian cố

kết có thể giảm tới 20 đến 50% đó là một mục

tiêu thực tế ít khi đạt đợc

Tóm lại, sự va chạm có tác dụng là giảm thời

độ cố kết đạt đợc dới tác dụng của tải trọng nền

đắp và giảm đợc số lợng các công trình thoát

n-ớc thẳng đứng mà vẫn tăng nhanh đợc tốc độ

cố kết

Một số quan trắc hiện tợng này đã đợc tiến hành tại hiện trờng ở Jurong, bồn dầu Moblil hay bể chứa nớc thải nhà máy Palm Jumeirah

Đó gọi là gia tải động

Sức chịu tải, bar

Độ hóa lỏng, %

du

t'f

dẻo chảy đến chảy sử dụng vật liệu cát hoặc

cuội sỏi dới tác dụng của tải trọng động đợc mô

tả sau đây

Hình 4 350 tấn.mét và 500 tấn.mét

Kỹ thuật, thiết bị cũng là yếu tố lớn cho việc

xử lý Menard đã phát triển thiết bị đặc biệt thể

xử lý tới độ sâu lớn

S Varaksin đã đề xuất điều chỉnh các quy

định chung trong của hãng Menard với độ sâu

xử lý (h, mét) có quan hệ tuyến tính với căn bậc

2 của năng lợng búa đầm (tấn.mét)

Với công thức: h = Cδ E (E đơn vị là

tấn.mét)

Trong đó: C phụ thuộc vào tính năng của

thiết bị đầm;

C = 1, Rơi tự do;

C = 0,8 thả bằng cáp tời cơ học;

C = 0,65 thả bằng cáp tời thủy lực;

δ phụ thuộc vào đất nền, nớc dới đất

δ = 1,0 với các lớp đắp mới rất ổn định

δ = 0,5 với đất cố kết thờng

Hình 5 Thiết bị

Thiết bị thông thờng nằm trong các khoảng sau:

- 350 txm năng lợng/búa (cẩu dây 120 tấn ) (Hình 4);

- 500 txm năng lợng/búa (cẩu dây đôi 120 tấn) (Hình 4);

- 700 txm năng lợng/búa (700 txm thiết bị

đặc biệt) (Hình 5);

- 850 txm năng lợng/búa (hệ thống Mars) (Hình 5);

- 1600 txm năng lợng/búa (tháp 3 chân) (Hình 6);

- 4000 txm năng lợng/búa (máy Mega ) (Hình 7)

Hình 6 1600 txm - tháp 3 chân

Hình 7 4000 txm - thiết bị Mega

1.2 Thay thế động

Thay thế động (DR) thực chất là sự mở rộng kỹ

thuật cố kết Nhng khác với cố kết động, thay thế

động đợc phát triển để xử lý đất yếu loại dính thậm

chí là đất than bùn Kỹ thuật này bắt đầu với việc tạo

ra các hố bằng cách đầm nhẹ Những hố này sẽ

đ-ợc lấp đầy bởi các vật liệu rời (ví dụ nh cấp phối, đá,

cuội sỏi, đá dăm tới kích thớc 300mm), những vật

liệu này sẽ đợc nén chặt dới tác dụng của tải trọng

động Công tác đầm đợc lặp lại cho tới khi vật liệu

cho vào trong hố giảm dần Về cơ bản, kết quả thu

đợc chủ yếu cho các cọc vật liệu rời có đờng kính

lớn Các cọc này đợc gọi là cọc DR với đờng kính

khoảng 2.5-3m, chiều dài khoảng 5-7m Quá trình

thay thế động đợc minh họa ở hình vẽ số 9

Hình 8 Quá trình cố kết động

Thay thế động đòi hỏi tỷ lệ diện tích thay thế là

15 đến 30% với khoảng cách giữa các cọc thay

đổi trong khoảng 4.5 đến 7m Cọc DR đờng kính

lớn tạo bởi phơng pháp thay thế động tạo ra sự

gia tăng sức chịu tải của đất nền dựa vào cả

rỗng phía dới và phía xung quanh tiêu tán một cách nhanh chóng Nh vậy, cọc DR có u điểm là cọc chịu tải đồng thời là giếng thoát nớc với đơng kính lớn

Hình 9 Quá trình thay thế động

1.4 Thông tin về công trình:

Cố kết động và thay thế động đợc lựa chọn để

xử lý nền cho bồn chứa dầu đờng kính lớn cho công trình nhà máy lọc dầu ở Nam Trung Bộ Việt Nam Công tác xử lý nền cho bồn thép đợc tiến hành dựa trên cơ sở nguyên tắc chìa khóa trao tay Diện tích xây dựng đợc chia thành 2 khu vực chính: Khu vực chứa dầu thơng phẩm và khu vực chứa dầu thô Khu vực chứa dầu thơng phẩm bao gồm 17 bồn chứa với đờng kính lớn nhất lên tới 56m trong khi đó khu vực chứa dầu thô bao gồm

7 bồn chứa với đờng kính lên tới 69m Chiều cao lớn nhất của bồn là 22.7m

Cố kết động đợc sử dụng để xử lý lớp đất nền phía dới với thành phần chủ yếu là cát ở trạng thái xốp đến chặt vừa Thay thế động đợc lựa chọn để xử lý lớp đất nền phía dới các bồn chứa dầu thô với các lớp sét bụi yếu với bề dày lên tới 9m, phía dới là đá bazan Báo cáo này làm nổi bật giải pháp xử lý nền bằng cố kết động và thay thế động cho bồn chứa dầu thô và dầu thơng phẩm (mỗi loại 1 bồn)

(Xem tiếp số sau)

1-Tạo hố 2- lấp hố bằng vật liệu rời 3- tiếp tục đầm cọc cát

4 – lấp hố bằng vật liệu rời Lặp bớc 3 và 4 đến khi cọc thay thế đạt tới chiều sâu thiết kế

Ngêi ph¶n biÖn: GS.TS NguyÔn Trêng TiÕn