Bài viết này phân tích nguyên nhân một số sự cố đã sảy ra trong quá trình xây dựng và khai thác các công trình thép móng cọc trên nền san hô (DKI) và bước đầu đưa ra các giải pháp kết cấu mới nhằm hạn chế và phòng tránh sự cố khi xây dựng và khai thác các công trình DKI.
Trang 1MỘT VÀI SUY NGHĨ VỀ VẤN ĐỀ LỰA CHỌN PHƯƠNG ÁN HỢP LÝ CHO CÔNG TRÌNH BIỂN THÉP MÓNG CỌC TRÊN NỀN
SAN HÔ Đinh Quang Cường
Viện Xây dựng Công trình biển, Trường Đại học Xây dựng, 55 đường Giải Phóng, Hà Nội
Email: dqc@hn.vnn.vn
Tóm tắt:
Bài báo này phân tích nguyên nhân một số sự cố đã sảy ra trong quá trình xây dựng và khai thác các công trình thép móng cọc trên nền san hô (DKI) và bước đầu đưa ra các giải pháp kết cấu mới nhằm hạn chế và phòng tránh sự cố khi xây dựng
và khai thác các công trình DKI
SOME THINKING ABOUT SELECTION OF APPROPRIATE
OF OFFSHORE - STEEL JACKET PLAFORM ON THE CORAL BASIS
Abstract:
This article find the cause of several incidents have happened during the construction and exploitation of the offshore - steel jacket platform on the coral basis (DKI) and initially launched the new DKI structural measures to limit and prevent problems when building and and employ the DKI
1 Điểm qua tình hình xây dựng các công trình DKI
Cho đến nay chúng ta đã xây dựng hơn 20 công trình DKI Hầu hết các công trình DKI
đã xây dựng đều là dạng công trình thép, móng cọc, trên nền san hô Sau khoảng 10 năm
sử dụng các công trình đều bị rung lắc mạnh, có ba công trình đã bị đổ (DKI/3, DKI/5 và DKI/6), hai công trình không sử dụng được (DKI/1 và DKI/4), chỉ có duy nhất một công trình không bị rung lắc đó là DKI/10 được xây dựng năm 1994 ở bãi cạn Cà Mâu, trên nền trầm tích sa bồi
Nguyên nhân gây ra sự cố tại các công trình DKI cơ bản là:
Nguyên nhân 1: Kinh nghiệm và thiết bị phục vụ thi công xây dựng công trình biển của
chúng ta còn hạn chế, nhất là kỹ thuật xây dựng các công trình thép móng cọc trên nền san
hô
Nguyên nhân 2: Chúng ta chưa có đủ số liệu tin cậy về nần san hô, vì vậy chưa đánh
giá đúng được sự làm việc tương tác giữa cọc thép và nền san hô thông qua việc xác định
hệ số ma sát giữa cọc thép và nền san hô
Trang 2Đã có rất nhiều nghiên cứu về hệ
số ma sát giữa cọc thép và nền san hô
[1], [2], [3], [4] Tác giả bài viết này
hoàn toàn đồng ý rằng: khi cọc thép tiếp
xúc với san hô thì chắc chắn giữa cọc và
nền tồn tại một lực ma sát Tuy nhiên,
khi phân tích ảnh chụp được khi khảo
sát các DKI/5 và DKI/6 đã gặp sự cố,
hình 1, cho thấy chân cọc thép đã tách
khỏi nền Khe hở giữa cọc và nền khá
lớn Như vậy tại những chỗ cọc đã tách
khỏi nền thì giữa cọc và nền không tiếp
xúc và mất ma sát Khi đó lực ma sát
còn lại (có thể ở phần gần mũi cọc)
không còn đủ khả năng thắng lực nhổ
Đây có thể là một cách lý giải cho sự cố
rung lắc và dẫn đến phá hủy các công
trình DKI
Hình 1, chân cọc gẫy ở DKI/6
Nguyên nhân 3: Chúng ta chưa có đủ số liệu tin cậy về điều kiện khí tượng, hải văn tại
khu vực xây dựng công trình, nhất là số liệu về chiều cao sóng thiết kế Số liệu sóng thiết
kế ban đầu là 6,9m; 9m; 10,5m (1988); 14m (1990-1998) Số liệu sóng để thiết kế gia cố các công trình DKI là 15,8m Số liệu để thiết kế mới các công trình DKI/14M và DKI/15M
là 16,56m
Có thể tính lại chiều cao công trình DKI/14 theo số liệu sóng mới như sau: Độ sâu nước: d = 22,0m; Chiều cao sóng: H = 16,56m; Chiều dài sóng: L = 298,38m; Chu kỳ sóng:T = 13,83s; H/(GT2) = 0,009; d/(GT2) = 0,012 Lý thuyết sóng phù hợp theo tiêu chuẩn API RP 2A là sử dụng lý thuyết sóng hàm dòng bậc 9 (Stream Function), hình 2 Theo yêu cầu thiết kế thì sàn công tác phải đảm bảo không bị sóng trùm lên trong điều kiện sóng cao H1% = 16,56m, vậy cao trình đáy sàn công tác có thể được tính theo công thức sau: Hsct Hđỉnh sóng + Htriều + Hnước dâng + Htĩnh không Trong đó: Hđỉnh sóng = 13,77m (tính theo
lý thuyết sóng hàm dòng bậc 9); Htriều = 2,11m; Hnước dâng = 1,15m; Htĩnh không 1,5m (theo tiêu chuẩn DNV) Hsct 18,53m
Khe hở giữa cọc và nền
Trang 32 Đánh giá các giải pháp gia cố các công trình DKI
2.1 Nguyên lý chung để thiết kế gia cố các công trình DKI
Các công trình DKI đã xây dựng bằng thép, móng cọc hầu hết bao gồm 04 ống chính bằng thép ống Cọc thép được đóng lồng trong các ống chính Khi chịu lực sóng, thông thường hai cọc ở mặt đón sóng sẽ chịu nhổ, hai cọc còn lại chịu nén, hình 3a Lực nhổ cọc, theo thiết kế sẽ được triệt tiêu nhờ lực ma sát giữa cọc và nền và trọng lượng bản thân công trình truyền xuống cọc Tuy nhiên vì trong quá trình chịu lực sóng, ma sát giữa cọc và nền
bị suy giảm (một trong những nguyên nhân là do cọc tách khỏi nền, xem hình 1) vì vậy việc thiết kế gia cố đã dựa trên nguyên tắc là đặt một khối gia tải để triệt tiêu lực nhổ thay cho lực ma sát đã bị suy giảm, hình 3b
2.2 Đánh giá các giải pháp gia cố đã thực hiện
Có ba phương án đã được thực hiện để gia cố các công trình DKI [4], đó là:
-Gia tải tập trung tại chân cọc, dùng phương pháp bê tông vữa dâng để gia tải Việc đổ
bê tông vữa dâng trên biển gặp khó khăn, nhất là trong điều kiện sóng lớn, khó kiểm soát được liên kết giữa khối gia tải với các ống chính Phương pháp này đã thực hiện ở DKI/7,2,9, có thể nói đây là một lý do đưa tới thất bại Thất bại của phương án này đã mở
ra hướng nghiên cứu phương án mở rộng khối chân đế
Trang 4-Phương án mở rộng khối chân đế bằng cách gắn vào mỗi ống chính một giàn tam giác sau đó lắp ghép các khối gia tải lớn bằng bê tông đúc sẵn, bơm trám xi măng để gắn các cục gia tải với nền san hô Tuy nhiên, do một số giải pháp kỹ thuật chưa hợp lý, việc lắp ghép khối lớn và bơm trám xi măng gặp khó khăn Phương án này đã ứng dụng ở DKI/11,14,17
-Phương án mở rộng khối chân đế, kết hợp bơm bê tông dâng để gia tải Phương án này
đã thử nghiệm ở DKI/8,12,15, sau đó rút kinh nghiệm, ứng dụng thành công ở các công trình DKI/16,18,19,20,21 và gia cố lần hai cho các công trình DKI/7,2,9 Đây là phương án
đã thể hiện nhiều ưu điểm, khắc phục được các nhược điểm ở hai phương án trước đó
Pg
Ps
N = R -Qk k gt N = R +Qn n gt
Pg
Ps
Hình 3: Nguyên lý chung để tính toán thiết kế gia cố các DKI cũ bị rung lắc
Với: P s : Lực ngang do sóng; P g : Lực ngang do gió;
R k : Lực nhổ; R n : Lực nén; Q gt : Trọng lượng dằn
3 Đánh giá các giải pháp công trình DKI mới
Năm 2010-2011 đã tiến hành xây dựng mới hai công
trình DKI (DKI/14M và DKI/15M) Các công trình DKI mới
được xây dựng trên cơ sở rút kinh nghiệm từ việc gia cố
thành công các công trình DKI cũ theo phương án mở rộng
khối chân đế, các khối gia tải gắn với khối chân đế thông qua
các kết cấu mở rộng để chịu nhổ Các cọc thép đóng vào nền
san hô để chịu nén Liên kết các khối gia tải với nền bằng bê
tông dâng
Việc ứng dụng các giải pháp gia cố đã thực hiện thành
công cho các DKI cũ và phát triển để xây dựng các DKI mới
là một cách làm đúng đắn và khả thi
Các DKI mới với quy mô lớn hơn các DKI cũ, khối
chân đế mới bao gồm 06 chân Hình 4 mang tính minh họa về
nguyên lý cho các DKI mới
Hình 4, Mô tả dạng công trình DKI mới xây dựng
Trang 54 Đề xuất các giải pháp công trình DKI mới
Để thi công các công trình DKI/14M và DKI/15M phải dùng đến các thiết bị chuyên dụng, có công suất lớn Đây cũng là một khó khăn đôi khi ảnh hưởng đến tính chủ động trong việc xây dựng các công trình DKI mới
Dưới đây đề xuất một số phương án công trình theo nguyên lý đã phân tích ở mục 2 của bài viết này, với mong muốn sẽ chủ động hơn trong việc xây dựng công trình
4.1 Đề xuât phương án công trình DKI cho vùng nước nông
Độ sâu nước tại các bãi san hô ngầm: Ba Kè, Phúc Tần, Huyền Trân, Quế Đường đều không vượt quá 15m (độ sâu nước tại DKI/4 là 07m; tại DKI/3 là 11m) Tại vùng nước nông, nếu ứng dụng các giải pháp thùng chìm để chế tạo các đế móng dạng đảo nổi, sau đó lắp ghép khối chân đế và thượng tầng bằng thép lên đế móng là một giải pháp cần được xem xét, nghiên cứu, nếu có những ưu điểm thì có thể ứng dụng Tác giả bài viết này đã tính toán và xây dựng phương án kết cấu công trình DKI cho vùng nước sâu đến 15m, hình 5
-1 m 12000 6000 12000
30000
30000 + 40.5 m
+ 35.5 m
+ 32m
+ 18 m
+ 15 m
0 m
12000 6000 12000 30000
30000
9000 12000 9000
Các thông số chính của công trình:
- Đường kính 01 trụ đế: 12m
- Chiều cao trụ đế:18m
- Tổng chiều cao chân đế:32m
- Chiều dầy thành trụ đế:350mm
- Trọng lượng 01 trụ đế:920 tấn
- Trọng lượng công trình:3260 tấn
- Trọng lượng dằn:1740 tấn
- Tổng trọng lượng công trình:5000 tấn
- Vật liệu dằn:Đá hộc
- Vật liệu bơm trám: Bê tông dâng
Hình 5, Đề xuất dạngcông trình DKI cho vùng nước nông, đến 15 m nước
a) Mặt đứng; b) Khối đế; c) Sơ đồ tính kết cấu
a)
b)
Trang 64.2 Tính toán kiểm tra
4.2.1 Kiểm tra điều kiện lật[5]: Điều kiện đảm bảo: Mgi÷ kl MlËt (1)
Với: Mgiữ=24652.2 Tm ; Mlật=7729,2 Tm; Hệ số an toàn kl =3,19>[kl] = 1,5
4.2.2 Kiểm tra điều kiện trượt [6]: Điều kiện đảm bảo:fu kt (2) Với fu là cường độ chống trượt tới hạn [6]; fu = 20,98 T/m2;
là ứng suất tiếp đáy móng: = 6,96 T/m2
01 , 3 96 , 6
98 20
u t
f
4.2.3 Kiểm tra nền móng công trình [5]: Điều kiện đảm bảo:
k
q P
B
Trong đó: a là kích thước vùng chịu kéo (nếu có của đế móng); B là chiều rộng của đế
móng; P2 là ứng suất lớn nhất tại mép của đế móng; qu là khả năng chịu tải cho phép của
nền; k là hệ số an toàn lấy theo quy phạm
Kết quả tính toán kiểm tra cho thấy, với các thông số hình học nêu trên của công trình,
điều kiện (3) được đảm bảo Vì khuôn khổ bài báo có hạn nên trên đây không đưa ra các
chỉ tiêu kỹ thuật đã tính toán kiểm tra nền, tuy nhiên trên thực tế san hô chịu nén khá cao
Ưu điểm chính của giải pháp công trình dạng thùng chìm (hình 5) là độ ổn định của
công trình khá cao, thi công đơn giản không phụ thuộc vào các thiết bị chuyên dụng.Vật
liệu dằn là vật liệu thông thường (đá hộc, cát hoặc phế thải rắn)
4.3 Đề xuât phương án công trình vùng nước sâu, không dùng giải pháp lắp các
khối gia trọng kích thước lớn
Các thông số chính của công trình cho độ sâu 22 mét nước, thượng tầng 30 người ở như
sau: Chiều cao khối chân đế: 38,5m; Kích thước mặt cắt ngang trên cùng: 16m x 16m;
Kích thước khối đế kết hợp với khay chứa các khối gia tải: 28m x 28m; Kích thước các
ống chính: Ф864x23,8; Kích thước ống nhánh điển hình: Ф610x15,9; Lực nhổ lớn nhất tại
chân chịu nhổ: 217 tấn; Lực nén lớn nhất tại chân chịu nén: 301 tấn; Gia tải tại một chân
chịu nhổ Qgt =330 tấn; Trọng lượng khối chân đế: 555 tấn; Trọng lượng khối thượng tầng:
350 tấn; Trọng lượng bê tông bơm trong bốn ống chính: 140 tấn; Tổng trọng lượng gia tải:
330x4=1320 tấn; Tổng trọng lượng công trình (kể cả khối gia tải) theo thiết kế sơ bộ là
2365 tấn
Dạng công trình thép móng cọc trên nền san hô đề xuất trên hình 6 là một dạng công
trình tự thích ứng với tải trọng sóng Cọc thép chỉ chịu nén, lực nhổ được triệt tiêu bằng
trọng lượng của các khối gia tải Các khối gia tải được treo sẵn vào các ống chính của khối
chân đế, không thông qua một hệ thống giàn tam giác Sự cân bằng giữa lực nhổ và khối
gia tải là trực tiếp, không hao tổn vì biến dạng của giàn tam giác (biến dạng của giàn tam
giác sẽ làm giảm độ nhậy của quá trình tự thích ứng) Khối gia tải có thể là các khối bê
tông lớn (có trọng lượng mỗi khối hàng chục tấn) xếp lên khay đỡ, hoặc là vật liệu rời (đá
hộc), hoặc phế thải rắn, hoặc bằng bê tông bơm dâng tại chỗ Tương ứng với các dạng gia
tải khay được cấu tạo dạng sàn thép ống, kết hợp sàn thép ống với thép tấm có khoét lỗ
hoặc thép tấm kín dạng cốt pha treo Việc thi công lắp ghép các khối gia tải hoặc đổ bê tông
gia tải vào hệ thống cốt pha kín hoàn toàn kiểm soát được chất lượng
Trang 7Ưu điểm chính của giải pháp công trình dùng khối gia tải treo là dễ thi công, cách gia tải
dễ dàng, vật liệu gia tải thông dụng, đa dạng Khối gia tải (trong trạng thái thi công) không nằm trực tiếp trên nền san hô, vì vậy không cần san nền
Nhược điểm chính của giải pháp công trình dùng khối gia tải treo là khối gia tải làm gia
tăng lực nén lên cọc làm cho cọc chịu nén khá lớn.Việc treo khối gia tải nâng cao trọng tâm công trình Có thể khắc phục sự gia tăng tải trọng lên cọc và gia tăng khả năng ổn định cho móng “treo” bằng cách tạo các liên kết tiếp đất cho khối gia tải bằng nguyên lý
“bó đũa”, tức là tạo các liên kết chống dạng thanh tự thay đổi độ dài theo sự mấp mô của nền san hô
Hình 6, Đề xuất dạngcông trình DKI cho vùng nước sâu trên 15m
a) Mặt đứng; b) Mặt bằng; c) Khối đế;
d) Sơ đồ tính kết cấu theo phương pháp phần tử hữu hạn
5 Kết luận
Các giải pháp mới cho các công trình DKI trên nền san hô nêu trên hình 5 và hình 6 của bài báo này dựa trên những số liệu thực tế thu thập được trong quá trình thiết kế, xây dựng
và gia cố các công trình DKI Đây là các ý tưởng công trình cần thiết được tham khảo và thảo luận