Đề tài nghiên cứu sử dụng cọc hơi ép trong cồng trình biển ở việt nam

Giải Ba nghiên cứu khoa học trường ĐH Xây Dựng " Đề tài nghiên cứu sử dụng cọc hơi ép trong cồng trình biển ở việt nam "

LỜI CÁM ƠN

Chúng em xin chân thành cám ơn:

Thầy Mai Hồng Quân trong thời gian vừa qua đã hướng dẫn chúng

em tận tình để chúng em có thể đi đúng hướng nghiên cứu, thành quả cóđược trong đề tài này có phần công lao to lớn của Thầy

Khoa Công Trình Biển, Trường Đại Học Xây Dựng đã tạo điềukiện cho chúng em được nghiên cứu phát triển ý tưởng để có được BáoCáo này

Nhóm Sinh Viên Thực Hiện

Các ký hiệu dùng trong đề tài

Độ sâu của cọc trong đấtKhối lượng riêng của nước

Áp lực thuỷ tĩnhDiện tích mặt cắt Đường kính cọc

Độ dài toàn bộ cọc

Độ dày thép thân cọcTrọng lượng của cọcLực đứng tác dụng lên công trình

Hệ số lực tính toán

Hệ số chịu tải

Mục Lục

Đặt vấn đề Trang 5

I Giới thiệu cọc hơi ép và các ứng dụng trong công trình biển Trang 6

III Tính toán ứng dựng 1 công trình sử dụng cọc hơi ép Trang 15

IV Một số loại công trình có khả năng sử dụng tại Việt Nam Trang 25

V Các loại dàn áp dụng cọc hơi ép tại vùng biển Việt Nam Trang 29

Danh mục hình ảnh:

Hình 1 Mô hình hút để giảm áp suất trong lòng cọc (trang 5)

Hình 2: sơ đồ làm việc của cọc (trang 6)

Hình 3: Vận chuyển cọc trên biển (trang 7)

Hình 4: Thi công cọc trên biển (trang 7)

Hình 5: Sử dụng cọc hơi ép trong dàn tối thiểu(trang 8)

Hình 6: Sử dụng cọc hơi ép để hạ neo(trang 10)

Hình 7 Sơ đồ hình học, kết cấu dàn một trụ (trang 21)

Hình 8 Mô hìmh kết cấu jacket truyền thống và dàn một trụ đơn.(trang 27)

Danh mục bảng tính:

Bảng 1: Vận tốc gió trung bình trong thời gian 2 phút (m/s).

Bảng 2: Vận tốc gió trung bình trong thời gian 1 phút (m/s).

Bảng 3 : Vận tốc gió trung bình trong thời gian 3 giây (m/s).

Bảng 4 : Chiều cao và chu kỳ sóng lớn nhất theo các hướng.

Bảng 5: Vận tốc dòng chảy mặt lớn nhất ứng với chu kỳ xuất hiện lặp lại 100 năm theo các hướng song.

Bảng 6 : Vận tốc dòng chảy đáy lớn nhất ứng với chu kỳ xuất hiện lặp lại 100 năm theo các hướng song.

Biển và đại dương chiếm 7/10 diện tích trái đất và nhu cầu hoạt

động trên biển của con người ngày càng tăng vì vậy mà việc xây dựngcác công trình trên biển là rất cần thiết Việc xây dựng các công trình đónhằm :

- Phục vụ thăm dò khai thác và vận chuyển dầu khí

- Phục vụ ăn ở, nhu cầu đi lại ngoài biển và các nhu cầu khác nhưlà: du lịch, nghiên cứu khoa học,…

- Phục vụ cho các hoạt động trên biển khác như: Trạm cứu hộ,công trình đảm bỏa hằng hải, trạm chuyển tải, các cảng bờ và cảng xabờ,…

Ở Việt Nam trong mười năm qua các công trình biển đã được xâydựng rất nhiều và với các kỹ thuật ngày càng tiên tiến Các công trìnhcủa chúng ta ngày càng đòi hỏi phải lớn hơn và xa bờ hơn và đi kèm với

nó là vốn đầu tư sẽ nhiều hơn.Vì vậy đặt ra câu hỏi làm sao để tiết kiệm

được vốn đâu tư và kỹ thuật thi công đơn giản hơn? và XÂY DỰNG PHƯƠNG ÁN KẾT CẤU DÀN THÉP SỬ DỤNG CỌC HƠI ÉP là một

trong số nhưng phương án như vậy

I Giới thiệu về cọc hơi ép và các ứng dụng trong công trình biển

1.1 Giới thiệu về cọc hơi ép dùng trong công trình biển.

Cọc thép cấu tạo từ thép ống đường kính lớn, đầu trên được bịt

kín (Hình vẽ H1) được thi công với nguyên lý như sau:

 Dùng bơm công suất lớn hút để giảm áp suất trong lòng

cọc tạo ra chênh áp giữa bên trên và bên dước của cọc

Hình 1 Mô hình hút để giảm áp suất trong lòng cọc.

 Cọc được hạ sâu vào đất bằng trọng lượng bản thân và

áp lực do chênh áp bên trong và bên ngoài ống

Hình 2: sơ đồ làm việc của cọc

Sau khi hạ cọc, Bơm được tháo bỏ và đỉnh cọc có thể được

bịt kín hoặc để mở và được liên kết với kết cấu công trình Do tác

động dùng để hạ cọc là trọng lượng bản thân và áp lực thủy tĩnh

Hình 3: Vận chuyển cọc trên biển

Hình 4 Thi công cọc trên biển

Những ưu điểm của cọc hơi ép:

 Không yêu cầu thiết bị đóng cọc, vì vậy khắc phục được

khó khăn về việc thi công cọc dưới nước và có khả năng

sử dụng được ở độ sâu lớn

 Các cọc đều tự nổi vì vậy không cần thiết bị vận chuyển

trên biển

 Tạo khả năng sử dụng phương án công trình tự nổi

 Có thể dịch chuyển công trình tới vị trí nếu cần thiết

1.2 Các ứng dụng trong công trình biển

 Làm móng cọc cho các công trình biển cố định, cho các kết cấubảo vệ đầu giếng ngầm

 Làm dẫn hướng hạ neo cho các kết cấu cần neo giữ các công trình biển nổi và bán chìm

 Kết hợp làm móng và phao nổi cho các công trình biển loại nhỏ

II Tính toán cọc hơi ép.

II.1 Sức chịu tải của cọc.

Các ký hiệu:

Z: Độ sâu nước d : Độ sâu cọc trong đất

L: Độ dài toàn bộ cọc t1,t2: độ dày thép thân cọc

D: Đường kính cọc W: trọng lượng của cọc

Khả năng chịu lực dọc trục Q của cọc phải thỏa mãn phương trình sau: P< Q W D -W B )

Trong đó:

P = Lực đứng tác dụng lên đỉnh cọc

Φ = Hệ số chịu tải của cọc

WD = Trọng lượng của cọc và đất trong cọc

WB = Lực đẩy nổi của cọc và phần đất trong cọcSức chịu tải Q của cọc gồm các thành phần sau:

fi,fo : Là ma sát đơn vị thành trong và thành ngoài của cọc và đất

L : Là chiều dài cọc trong đất

U : Là diện tích mặt ngoài của cọc tiếp súc với nền đất

a= Hệ số lực dính

Cu= Cường độ cắt không thoát nước của đất

Hệ số lực dính α được tính như sau :

II.2 Tính toán cọc trong quá trình hạ cọc

 Giai đoạn 1: Cọc hạ bằng trọng lượng bản thân cọc

Trong giai đoạn này, cọc hạ sâu vào trong nền đất bằng trọng lượngbản thân của cọc và các thiết bị gắn trên nó, van trên đỉnh cọc được mở

để nước thoát ra ngoài Dưới tác dụng của trọng lượng cọc, kết cấu đấtdưới mũi cọc bị phá vỡ, cọc ăn sâu vào long đất, đến khi tổng lực kháng

ma sát và kháng mũi cọc cân bằng với trọng lượng của cọc thì cọc sẽdừng lại

ΣFz =W−Q1−Q2 –Q3 =0Giải phương trình trên, với các đại lượng được tính như trong phần 2.1 sẽ tìm được độ sâu hạ cọc do tác

động của trọng lượng bản thân cọc

 Giai đoạn 2: Cọc hạ bằng áp lực thủy tĩnh

Trong giai đoạn này, bơm hoạt động, van được đóng lại, áp suấttrong lòng cọc bắt đầu được hạ xuống và bắt đầu có sự khác biệt về ápsuất trong và ngoài cọc tạo ra lực nén đẩy cọc ăn sâu vào đất Nước biểnbắt đầu chảy từ ngoài vào trong lòng cọc và được bơm hút ra ngoài

ΣFz =W + FP−Q1−Q2 –Q3 =0Lực nén Fp được tính như sau:

F =AΔP= 1/4ππD 2 (P h –Pc )

vỡ kết cấu trong lòng cọc, giúp cọc hạ sâu dễ dàng và đạt độ sâu lớnhơn.

III Tính toán cho một kết cấu công trình ứng dụng cọc hơi ép

III.1 Số liệu môi trường tại khu vực xây dựng công trình

3.1.1 Độ sâu nước tại vị trí xây dựng công trình

Công trình được thiết kế xây dựng tại vị trí có độ sâu nước d = 40 m

3.1.2 Số liệu về điều kiện môi trường tại nơi xây dựng công trình

Điều kiện môi trường được lấy từ báo cáo : “ BACH HO – RONG

Field’s Evironmental Extreme Conditions” là kết quả nghiên cứu đo đạc

của trung tâm khí tượng hải văn biển cho khu vực mỏ Rồng và mỏ Bạch

Bảng 5: Vận tốc dòng chảy mặt lớn nhất ứng với chu kỳ xuất

hiện lặp lại 100 năm theo các hướng sóng

với hướng

Bắc

Bảng 6 : Vận tốc dòng chảy đáy lớn nhất ứng với chu kỳ xuất

hiện lặp lại 100 năm theo các hướng sóng

+ Biên độ triều cao nhất so với MSL : + 1.030 m

+ Biên độ triều thấp nhất so với MSL : - 1.620 m

+ Nước dâng lớn nhất do bão so với MSL : + 0.870 m

+ Biên độ triều xuống so với MSL : - 0.680 m

+ Vào mùa đông, mực nước dâng cao hơn

+ Vào mùa hạ, mực nước hạ thấp hơn

3.1.7 Sự phát triển của sinh vật biển

Sự phát triển của sinh vật biển (hà bám) được lấy theo báo cáo khảosát cho vùng mỏ Bạch Hổ & Rồng, tại các cao độ khác nhau Kết quảđược thể hiện trong bảng dưới đây:

Bảng 7 : Xác định chiều dày hà bám

(mm)

Từ cao độ 0.000 m đến cao độ (-) 4.000m 80

Từ cao độ (-) 4.000m tới cao độ (-) 8.000m 87

Từ cao độ (-) 8.000m tới cao độ (-) 10.000m 100

Từ cao độ (-) 10.000m đến đáy biển 70

3.2 Số liệu về điều kiện địa chất tại nơi xây dựng công trình

Bảng 8 : Số liệu địa chất dùng cho thiết kế giàn RC5

Độ rỗng

3.4 Kết cấu công trình

3.4.1 Thông số công trình

1 Chiều cao công trình:

Khoảng cách từ mặt đáy biển đến mặt dưới của sàn chịu lực: H = 55m

2 Chiều cao khung sàn chịu lực: HKSF = 7.5m

3 Chiều cao chân đế: HCD = 47.5m

Hình 7 Sơ đồ hình học, kết cấu dàn một trụ 3.4.2 Phương pháp tính toán, chương trình và quy phạm sử dụng

3.4.3 Kết quả nội lực

 Kết quả dao động riêng

Bảng11: Kết quả dao động riêng của công trình

Output Case

StepT ype

StepN um

Perio d

Freque ncy

CircF req

Eigenv alue

Text Text Unitle

2.58 068

0.3874 9

2.434

L 068 9 7 MODA

 K ết quả chuyển vị đỉnh của công trình

 Kết quả nội lực tại chân công trình

Bảng13: Kết quả nội lực tại chân công trình

3.5 Kết quả tính toán cọc hơi ép.

Nhận xét Khả năng chịu nén của cọc hơi ép là rất lớn và luôn đảm

bảo khả năng chịu nén.Vì vậy bài toán đặt ra chủ yếu là xét bài toán cọchơi ép chịu nhổ là nguy hiểm nhất

Bảng 12 : Chuyển vị đỉnh

Hệ số

an toànchịunhổ

Hình 8: Mô hình dàn một trụ có sử dụng cọc hơi ép

Ưu nhược điểm của dàn một trụ đơn

- Diện cản sóng nhỏ đáng kể so với kết cấu thông thường, đặc biệt tại vùng dao động mực nước

- Kết cấu đơn giản, dễ tính toán, dễ thi công và kiểm soát chất

lượng, duy tu bảo dưỡng

- Trọng lượng nhẹ vì vậy khi thi công không cần thiết bị nâng côngsuất lớn hoặc cũng có thể tự nổi trên biển

- Tiết kiệm thời gian thi công lắp đặt trên bờ và trên biển

- Độ cứng tổng thể của công trình bị hạn chế do phần thân chỉ có một trụ

- Độ dự trữ về bậc tự do của kết cấu không nhiều

4.1.1.2 Dàn một trụ đơn sử dụng cọc hơi ép.

Việc kết hợp giữa kết cấu Dàn thép một trụ với cọc hơi ép tạo điều kiệntối đa để phát huy các ưu điểm của cả hai bộ phận, đặc biệt là các yếu tốsau:

- Tải trọng từ phần thân truyền xuống móng của dàn một trụ là khánhỏ thích hợp với móng cọc hơi ép

- Kết cấu đơn giản dễ liên kết giữa cọc và chân đế

- Cả hai bộ phận đều được đề xuất nhằm mục tiêu thi công nhanh

và không dùng các thiết bị lớn

- Có thể kết hợp để thi công vận chuyển tự nổi trên biển

4.2 Công trình đơn jacket, 3 chân – 4 chân.

Về cơ bản dàn nhẹ tại mỏ Bạch Hổ chỉ là cải tiến từ dạng jackettruyền thống Mặc dù các dàn nhẹ gần đây đã bỏ hẳn phương án cọc phụnhưng những đặc trưng cơ bản của jacket vẫn không đổi (mặt nganghình chữ nhật, các ống chính xiên nhằm tăng khả năng chịu lực ngang

và được bắt đầu từ đỉnh của khối chân đế đến đáy biển làm cho kíchthước các mặt ngang không được tối ưu, bên cạnh đó hình thức liên kếtcác thanh trong panel chưa được cải tiến) vì vậy không giảm thiểu đượctải trọng sóng – dòng chảy tác động lên kết cấu Điều này dẫn đến kếtqủa là dàn nhẹ tại mỏ Bạch Hổ chưa tận dụng được khả năng chịu lựccủa vật liệu, chưa đạt độ hợp lý về giải pháp thiết kế, chưa giảm thiểu tối

 Ống chính không nhất thiết phải kéo dài từ đỉnh chân đế xuốngđáy biển mà chỉ được tăng cường ở phạm vi gần đáy biển(vùng có nội lực lớn)

Hình 8 Mô hìmh kết cấu jacket truyền thống và dàn một trụ đơn.

Những sự cải tiến này giúp cho giảm thiểu được tải trọng tác độnglên công trình, giảm chiều dài cọc, số lượng cọc, tăng khả năng chịu lựccủa kết cấu từ đó giảm trọng lượng kết cấu, giảm thời gian thi công trênbiển

Nhận xét: Qua những phân tích ở các phần trên chúng ta thấy rằnglựa chọn giải pháp thiết kế công trình biển bằng thép loại 1 trụ là lựachọn hợp lý Kết hợp với những đặc điểm về chức năng của dàn khoan

và vị trí xây dựng với những đặc trưng của các kiểu dàn nhẹ tối thiểu cókhả năng áp dụng trong điều kiện mỏ Bạch Hổ chúng ta có thể lựa chọnđược kiểu dàn nhẹ tối thiểu phù hợp với công năng và vị trí xây dựngcông trình Từ kiểu dàn được lựa chọn chúng ta sẽ lựa chọn các kíchthước cụ thể của kết cấu, thực hiện tính toán tổng thể để kiểm tra các đặctrưng cơ bản

V Các loại dàn áp dụng cho điều kiện biển Việt nam

5.1 Nhu cầu về sử dụng Dàn nhẹ tối thiểu ở Việt nam

Việt nam là quốc gia có chiều dài bở biền trrên 3000 km và mộtvùng thềm lục địa, rộng lớn Hiện tại chúng ta mới chỉ quan tâm và khaithác các tiềm năng ở những vùng biển có độ sâu <100m nớc, vì vậy việc

sử dụng các tiến bộ về Dàn nhẹ tối thiểu là rất hợp lý

5.2 Các kiểu kết cấu dàn nhẹ tối thiểu thích hợp với các nhu cầu sử dụng ở Việt nam.

Kết cấu kiểu khung:

Nh đã nói ở trên kết cấu kiểu khung chịu lực đã đợc nghiên cứu vàcải tiến với nhiều thể loại có thể có 3 hoặc 4 cọc, nhng đều có cùng một

ý tởng là phần khung trên nhỏ để giảm thiểu tải trọng sóng, phần khungdới nở rộng để đảm bảo khả năng chịu lực Trong các kết cấu kiểu khungchịu lực

Nhận xét : Kết cấu hệ khung là kết cấu gần gũi với kết cấu truyền thống

ở Việt Nam So với kết cấu truyền thống thì kết cấu dạng này đã đợc tối

-u để vẫn đảm chị-u lực nhng có khối lợng nhỏ hơn do giảm đợc tải trọng tác động của sóng và dòng chảy

Kết cấu là một trụ chính có kích thớc lớn đỡ khối thợng tầng Kếtcấu móng bằng cọc phụ, số lợng cọc có thể là 3 hoặc 4 cọc

Nhận xét : Kết một trụ đơn là một dạng kết cấu hoàn toàn mới cha từng

đợc xây dựng ở Việt nam Kết cấu đơn giản và rất hợp lý về chịu lực Do kết cấu gồm một trụ lớn và rất ít thanh giằng vì vậy rất dễ dàng cho việc thi công chế tạo và thời gian thi công cũng đợc rút ngắn

Kết cấu Dàn sử dụng ống giếng độc lập và ống giếng có giằng:

Đối với vùng biển có độ sâu nớc không lớn thì có thể tận dụngngay bản thân ống đỡ giếng làm kết cấu đỡ thợng tầng loại nhỏ Có thểkết hợp các ống đỡ giếng với các thanh giằng phụ thêm để làm tăng khảnăng chịu lực cho công trình, và Kết cấu móng bằng cọc phụ, số lợngcọc có thể là 3 hoặc 4 cọc.

Kết cấu một trụ đơn tự nổi:

Kết cấu là một trụ chính có kích thớc lớn đỡ khối thợng tầng.Phần

đế có cấu tạo của bộ phận tự nổi Loại kết cấu này có thể đợc thi công

mà không cần đến các thiết bị thi công loại lớn

Kết cấu móng trọng lực :

Kết cấu phần trên có thể là một trụ đơn hay một nhóm trụ hoặc hệ khung

đỡ khối thợng tầng Phần đế là kết cấu móng trọng lực BTCT

hình 9: dàn nhẹ một trụ đơn 3 cọc

hình 10: dàn nhẹ một trụ đơn 4 cọc

hình 11: dàn nhẹ giếng khoan độc lập-giếng khoan có giằng

h×nh 12: dµn nhÑ kiÓu khung truyÒn thèng

hình 13: dàn nhẹ kiểu khung chịu lực ống đứng-3 cọc-4 cọc

VI Kết luận và kiến nghị.

Thực tiễn trờn thế giới đó cho thấy cỏc giải phỏp kết cấu kể trờn cúnhững ưu điển nổi bật đú là : Tớnh hiệu quả của kết cấu dẫn đến giảmtrọng lượng kết cấu, giảm được thời gian thi cụng, khụng cần đến cỏcthiết bị thi cụng lớn, như vậy sẽ giảm được đầu tư cho cụng trỡnh và sớmđưa cụng trỡnh vào phục vụ sản xuất

Trong điều kiện hiện tại của nước ta trước đũi hỏi của thực tế vềcỏc dàn nhẹ và với trỡnh độ thiết kế, năng lực tổ chức thi cụng thỡ việc ỏpdụng cỏc thể loại cụng trỡnh dạng Dàn nhẹ cú ứng dụng cọc hơi ộp nhưtrờn vào sản xuất là hoàn toàn khả thi Chớnh cỏc thể loại cụng trỡnh này

đó gúp phần khai thỏc hiệu quả cỏc mỏ dầu và khớ cú trữ lượng nhỏ trờnthế giới và điều đú cũng sẽ đỳng nếu được sử dụng ở Việt nam

Việc sử dụng cọc hơi ộp cú điểm nổi bật là khụng phải dựng thiết vịđúng cọc Vỡ vậy giảm thiểu thời gian thi cụng trờn biển

Việc sử dụng cọc hơi ộp vào chõn đế là hoàn toàn khả thi đặc biệtnếu dựng với dàn nhẹ thỡ rất thớch hợp vỡ dàn nhẹ cú tải trọng nhỏ

Khi sử dụng cọc hơi ộp cú thể kết hợp để vận chuyển cụng trỡnhbằng phương phỏp tự nổi

Thực tiễn trên thế giới đã cho thấy các giải pháp kết cấu kể trên cónhững u điển nổi bật đó là : Tính hiệu quả của kết cấu dẫn đến giảmtrọng lợng kết cấu, giảm đợc thời gian thi công, không cần đến các thiết

bị thi công lớn, nh vậy sẽ giảm đợc đầu t cho công trình và sớm đa côngtrình vào phục vụ sản xuất

Trong điều kiện hiện tại của nớc ta trớc đòi hỏi của thực tế về cácdàn nhẹ và với trình độ thiết kế, năng lực tổ chức thi công thì việc ápdụng các thể loại công trình dạng Dàn nhẹ tối thiểu nh trên vào sản xuất

là hoàn toàn khả thi Chính các thể loại công trình này đã góp phần khaithác hiệu quả các mỏ dầu và khí có trữ lợng nhỏ trên thế giới và điều đócũng sẽ đúng nếu đợc sử dụng ở Việt nam