Nghiên cứu xử lý nền đất yếu bằng bấc thấm cho công trình bể chứa tại quảng ninh

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC DÂN LẬP HẢI PHÒNG - PHẠM TRẦN TRUNG NGHIÊN CỨU XỬ LÝ NỀN ĐẤT YẾU BẰNG BẤC THẤM CHO CƠNG TRÌNH BỂ CHỨA TẠI QUẢNG NINH LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT XÂY DỰNG CƠNG TRÌNH DÂN DỤNG VÀ CƠNG NGHIỆP CHUN NGÀNH: KỸ THUẬT XÂY DỤNG CƠNG TRÌNH DD&CN MÃ SỐ: 60.58.02.08 NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS.NGUYỄN ĐỨC NGN Hải Phịng, 2017 LỜI CẢM ƠN Đầu tiên xin gửi tới thầy: PGS.TS Nguyễn Đức Nguôn, Ban chủ nhiệm khoa Sau đại học, Ban giám hiệu trường Đại học Dân Lập Hải Phòng lời chúc sức khỏe lời cảm ơn chân thành Các thầy hướng dẫn, giúp đỡ tơi suốt q trình học tập, nghiên cứu làm luận văn Trong thời gian làm luận văn, cố gắng để tránh sai sót, điều xảy luận văn Rất mong góp ý thầy cô bạn đọc Xin chân thành cảm ơn! Quảng Ninh, tháng năm 2016 Tác giả luận văn Phạm Trần Trung MỞ ĐẦU Lý chọn đề tài: Bể chứa đóng vai trị quan trọng đời sống sinh hoạt người dân Đồng thời phận khơng thể thiếu ngành cơng nghiệp hóa dầu nói riêng ngành cơng nghiệp nói chung Bể chứa thường sử dụng để chứa sản phẩm dầu (xăng, dầu hỏa…), khí hóa lỏng, nước, axit, cồn cơng nghiệp, nước thải cơng nghiệp Nó có nhiệm vụ tích trữ ngun liệu sản phẩm, giúp nhà sản xuất nhận biết lượng tồn trữ, tạo điều kiện thuận lợi để tiến hành kiểm tra chất lượng, số lượng, phân tích tiêu sản phẩm Cùng với tốc độ phát triển kinh tế nhanh nước, Quảng Ninh giai đoạn phát triển nhanh nghiệp cơng nghiệp hóa – đại hóa Với đặc điểm thành phố duyên hải, Quảng Ninh có tới 20 cảng lớn nhỏ khác như: cảng Cẩm phả, cảng Hòn Gai, cảng Cái Lân Điều tạo điều kiện thuận lợi cho việc hàng loạt dự án, khu công nghiệp, nhà máy đời Và nhu cầu sử dụng bể chứa khu công nghiệp, nhà máy không ngừng gia tăng Hơn nữa, mà đời sống nhân dân ngày nâng cao nhu cầu sử dụng xăng dầu, khí gas tăng vọt, dẫn tới nhu cầu sử dụng bể chứa trở nên cấp thiết xây dựng phổ biến cơng trình thuộc tầm quan trọng cấp I, cấp II Tuy nhiên đặc điểm vị trí địa lý, Quảng Ninh vùng có phân bố rộng rãi loại đất yếu Khi xây dựng cơng trình đất yếu lựa chọn biện pháp xử lý móng khơng hợp lý dẫn đến tăng chi phí đầu tư xây dựng cơng trình gây biến dạng làm hư hỏng cơng trình Nghiên cứu biện pháp xử lý đất yếu có mục đích cuối làm tăng cường độ đất, làm giảm tổng độ lún độ lún lệch, rút ngắn thời gian thi cơng giảm chi phí đầu tư xây dựng Trong năm gần đây, biện pháp xử lý áp dụng nhiều sử dụng băng nước thẳng đứng chế tạo sẵn có khơng có vải địa kỹ thuật kết hợp gia tải Biện pháp phần tăng tốc độ cố kết lún, phần tăng cường khả tiếp nhận tải trọng ban đầu đất yếu tạo điều kiện triển khai sớm hạng mục liên quan, rút ngắn thời gian thi cơng, sớm đưa cơng trình vào sử dụng Mặt khác, vật liệu gia cố sản xuất cơng nghiệp cho phép chuẩn hóa q trình thi cơng, giảm thiểu ảnh hưởng đến mơi trường Mục đích nghiên cứu: Kết nghiên cứu làm sáng tỏ cấu trúc đặc tính địa chất cơng trình loại đất yếu khác phân bố khu vực tỉnh Quảng Ninh ảnh hưởng tới việc xây dựng cơng trình bể chứa Khả áp dụng biện pháp xử lý bấc thấm cho dạng đất yếu khác khu vực tỉnh Quảng Ninh Đối tượng phạm vi nghiên cứu: Các dạng đất yếu tiêu biểu khu vực tỉnh Quảng Ninh Giải pháp xử lý đất yếu bấc thấm cho cơng trình bể chứa tỉnh Quảng Ninh Các vấn đề cần giải quyết: Cơ sở lý thuyết tính toán bấc thấm Giải toán liên quan đến bấc thấm Phạm vi áp dụng toán xử lý bấc thấm Ý nghĩa khoa học thực tiễn: 5.1- Đề xuất giải pháp xử lý đất yếu bấc thấm cho cơng trình bể chứa thành phố Quảng Ninh 5.2- Đưa toán liên quan việc xử lý đất yếu bấc thấm CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ PHƯƠNG PHÁP XỬ LÝ NỀN ĐẤT YẾU CHO CƠNG TRÌNH BỂ CHỨA 1.1 Khái niệm đất yếu Đất yếu loại đất có sức chịu tải (nhỏ 0,5 – 1,0 kG/cm ), dễ bị phá hoại, biến dạng tác dụng tải trọng cơng trình, dựa số liệu tiêu lý cụ thể để phân loại đất yếu + Dựa vào tiêu vật lý, đất gọi yếu : - Dung trọng : W  1,7 T/m - Hệ số rỗng : e  - Độ sệt I > - Độ ẩm : W  40% - Độ bão hòa : G  0,8 + Dựa vào tiêu học : - Modun biến dạng : E0  50 kG/cm - Hệ số nén : a  0,01 cm2/kG - Góc ma sát :   10 - Lực dính (đối với đất dính): c  0,1 kG/cm Đất yếu thuật ngữ sử dụng phổ biến lĩnh vực xây dựng Hiện nay, tồn số quan niệm khác đất yếu Dựa quan niệm tiêu chuẩn hành Việt Nam TCXD 245-2000, 22TCN 262-2000, tham khảo tiêu chuẩn phân loại đất ASTM, BS, theo tác giả đất yếu loại đất có số đặc điểm sau đây: - Là loại đất có khả chịu tải thấp (sức chịu tải nhỏ 1,0kG/cm ), mô đun biến dạng nhỏ (E0 < 50kG/cm ); - Dễ bị biến dạng có tải trọng tác dụng, có độ lún lớn (thường hệ số rỗng ban đầu e0 >1); có lực chống cắt thấp (Cu < 0,15kG/cm ), giá trị xuyên tiêu chuẩn NSPT < búa, sức kháng xuyên đơn vị qc < 10kG/cm - Là loại đất thành tạo từ vật liệu trầm tích trẻ ( từ 10.000 đến 15.1 năm tuổi trình cố kết điều kiện mơi trường khác (bồi tích ven biển, đầm phá, cửa sông, đầm lầy ) Trên cở sở đặc điểm địa chất cơng trình (thành phần, tính chất lý ), đất yếu chia loại sau: (1) Đất sét mềm bồi tụ bờ biển gần biển (đầm phá, cửa sơng, đồng tam giác châu thổ…) loại lẫn hữu q trình trầm tích (hàm [5] lượng hữu lên tới 10% - 12%) Đối với loại này, xác định đất yếu trạng thái tự nhiên, độ ẩm chúng gần cao giới hạn nhão, hệ [5] số rỗng lớn (sét e0 > 1,5; sét e0 > 1) , lực dính C theo kết cắt nhanh khơng nước Cu < 35 kG/cm 2[16] [5] , góc nội ma sát φ < 10 (2) Than bùn đất hữu có nguồn gốc đầm lầy, nơi tích đọng thường xuyên, mực nước ngầm cao Tại đây, xác loài thực vật bị thối rửa phân hủy, tạo vật lắng hữu lẫn với khoáng vật từ vật liệu Loại thường gọi đất đầm lầy, than bùn, hàm lượng hữu chiếm tới 20% - 80%, thường có màu xám đen hay nâu xẫm, cấu trúc khơng mịn (vì lẫn tàn dư thực vật) Trong điều kiện tự nhiên, than bùn có độ ẩm cao trung bình W = 85% - 95% Than bùn loại đất thường xuyên nén lún lâu dài, không đều, hệ số nén lún đạt 3-10 cm /daN, thường phải thí nghiệm than bùn thiết bị nén với mẫu cao 40 – 50cm Đất yếu đầm lầy than bùn phân theo hàm lượng hữu chúng: [5] Hàm lượng hữu từ 20% - 30%: đất nhiễm than bùn [5] Hàm lượng hữu từ 30% - 60%: đất than bùn [5] Hàm lượng hữu 60%: than bùn (3) Bùn lớp đất hình thành mơi trường nước nước biển, gồm hạt mịn (< 200µm) Đặc điểm thành phần kết cấu thành phần khống vật thay đổi thường có kết cấu tổ ong Hàm lượng hữu thường 10% Đất bùn trầm tích đại, thành tạo chủ yếu kết tích lũy vật liệu phân tán mịn đường học hóa học đáy biển vũng vịnh, hồ bãi lầy, hồ chứa nước bãi bồi sơng Vì thường phân biệt bùn biển, bùn vũng, bùn hồ, bùn lầy bùn bồi tích Bùn no nước yếu mặt chịu lực Cường độ bùn nhỏ, biến dạng lớn, mô đun biến 2 dạng vào khoảng 1-5kG/cm với bùn sét; từ 10-25kG/cm với bùn pha cát bùn cát pha sét; hệ số nén lún đạt lên tới 2-3cm /daN Như vậy, bùn loại trầm tích nén chưa chặt, dễ bị thay đổi kết cấu tự nhiên Do xây dựng công trình bể chứa chất lỏng đất bùn cần áp dụng biện pháp xử lý phù hợp 1.2 Mục tiêu xử lý đất yếu Việc xử lý đất yếu nhằm hướng đến mục tiêu chủ yếu sau: - Tăng khả chịu lực đất [4] - Tăng khả chống biến dạng đất [4] - Giảm tính thấm nước cho đất [4] Để đạt mục tiêu việc xử lý đất yếu thực theo hướng sau: * Tăng độ chặt đất nền: theo hướng sử dụng: + Các phương pháp học: nhóm phương pháp phổ biến nhất, bao gồm phương pháp làm chặt việc sử dụng tải trọng tĩnh (phương pháp nén trước), sử dụng tải trọng động (đầm chấn động), sử dụng cọc không thấm, phương pháp làm chặt giếng cát, loại cọc vật liệu rời (cọc cát, cọc xi măng đất, cọc vôi …) để gia cố tác nhân học Trong việc sử dụng phương pháp tải trọng động sử dụng phổ biến hiệu cho loại đất hạt rời, đặc biệt cát xốp dùng máy đầm rung, đầm lăn Tuy nhiên chúng tăng độ chặt cho lớp đất bề mặt Các loại cọc tre, cừ tràm, cọc gỗ thường áp dụng cho cơng trình dân dụng + Hạ mực nước ngầm: hạ mực nước ngầm giúp cho trình cố kết nhanh tạo khả giảm độ rỗng lớp đất nhờ tăng trọng lượng khối đất bên * Biến đổi cấu trúc đất phương pháp hóa – lý – sinh: + Phương pháp nhiệt học: phương pháp độc đáo sử dụng kết hợp với số phương pháp khác điều kiện tự nhiên cho phép Sử dụng khí nóng 800C để làm biến đổi đặc tính lý hóa đất yếu Phương pháp chủ yếu sử dụng cho điều kiện đất đất sét cát mịn Phương pháp địi hỏi lượng lượng khơng nhỏ cho kết nhanh tương đối khả quan + Phương pháp hóa học: phương pháp ý thời gian gần Sử dụng hóa chất để tăng cường liên kết đất xi măng, thủy tinh, phương pháp silicat hóa…Hoặc số hóa chất đặc biệt phục vụ mục đích điện hóa Phương pháp xi măng hóa sử dụng cọc xi măng đất phương pháp sử dụng tương đối phổ biến + Phương pháp sinh học: phương pháp mới, người ta sử dụng vi sinh vật để làm đầy lỗ rỗng đất từ làm giảm hệ số rỗng gắn kết hạt đất lại với để làm tăng lực dính đơn vị đất Tuy nhiên, phương pháp quan tâm yêu cầu thời gian thi công tương đối dài nhiều ủng hộ mặt kinh tế * Thay lớp đất đế móng loại đất khác tốt hơn: phương pháp sử dụng Để khắc phục vướng mắc gặp lớp đất yếu phân bố đáy móng, người ta thay phần toàn đất yếu lớp đất có tính bền học cao, làm gối cát, đệm cát Phương pháp đòi hỏi kinh phí đầu tư lớn thời gian thi cơng lâu dài * Điều chỉnh tiến độ thi công: tăng tải dần xây dựng phận cơng trình theo giai đoạn nhằm cải thiện khả chịu lực đất, cân độ lún phận kết cấu cơng trình Việc lựa chọn phương pháp xử lý hợp lý phụ thuộc vào tính chất đất nền, loại tải trọng cơng trình, loại móng, thiết bị điều kiện thi cơng, u cầu tiến độ Các phương pháp sử dụng riêng biệt kết hợp với để đạt hiệu cao 1.3 Tổng quan cơng trình bể chứa [6] 1.3.1 Giới thiệu chung Bể chứa đóng vai trò quan trọng đời sống sinh hoạt người dân, đồng thời dạng công trình khơng thể thiếu ngành cơng nghiệp hóa dầu nói riêng ngành cơng nghiệp nói chung Nó có nhiệm vụ tích trữ ngun liệu sản phẩm, giúp nhà sản xuất nhận biết số lượng tồn trữ Tại nhà sản xuất thực tất hoạt động kiểm tra chất lượng, số lượng, phân tích tiêu trước xuất hàng 1.3.2 Phân loại bể chứa Căn theo qui mô, loại, vật liệu chế tạo mà bể chứa thường chia thành số loại sau: a Theo chiều cao xây dựng: - Bể ngầm: đặt mặt đất - Bể nổi: xây mặt đất - Bể nửa ngầm: loại bể có nửa chiều cao nhơ lên mặt đất - Bể ngồi khơi: thiết kế mặt nước, di chuyển từ nơi sang nơi khác dễ dàng b Phân loại theo áp suất: - Bể cao áp: áp suất chịu đựng bể > 200mmHg - Bể áp lực trung bình: áp suất thường từ 20 – 200mmHg - Bể áp thường: áp suất 20mmHg c Phân loại theo vật liệu xây dựng: - Bể kim loại: làm thép, áp dụng cho loại bể lớn - Bể phi kim: làm vật liệu gỗ, composite, nhựa, bê tông … áp dụng cho bể nhỏ d Phân loại theo mục đích: - Bồn trung chuyển - Bồn cấp phát e Phân loại theo hình dạng: - Bể trụ đứng - Bể trụ nằm - Bể hình cầu, hình giọt nước Trong khn khổ luận văn mình, tác giả tập trung vào nghiên cứu loại bể sử dụng phổ biến nay, bể chứa trụ đứng áp lực thấp 1.3.3 Bể chứa trụ đứng áp lực thấp Bể chứa trụ đứng mái tĩnh thường dùng để chứa sản phẩm dầu mỏ có đàn hồi áp lực thấp Thể tích có thay đổi từ 100 đến 20.000m (chứa xăng), chí lên tới 50.000m (chứa dầu, mazut …) Các phận bể gồm: thân, đáy mái bể Đáy bể đặt cát đầm chặt có phủ lớp cách nước Ngồi cịn có phận phụ khác như: ống để nạp xả chất lỏng, cầu thang, mái đặt thiết bị đo mức chất lỏng, lỗ nhìn, van an tồn, lan can… Hình 1.1: Bể chứa trụ đứng - Cấu tạo đáy bể: đáy bể tựa cát chịu áp lực chất lỏng Ứng suất tính tốn đáy bể khơng đáng kể nên chiều dày đáy chọn theo yêu cầu cấu tạo hàn chống ăn mịn Phần đáy gồm thép có kích thước lấy theo định hình sản xuất thép tấm, ví dụ với bể tích bé 10.000m dùng 15006000mm Chiều dày tối thiểu đáy δ đmin= 4mm (khi thể tích bé 1000m ) Khi thể tích lớn dùng δđ= 5mm, δđ= 6mm đường kính đáy Dd > 25m Khi thể tích bể V ≥ 2000m chiều dày biên đáy lớn chiều dày từ đến 2mm Đường hàn cạnh ngắn dùng đường hàn đối đầu, đường hàn cạnh dài đường hàn góc liên kết chồng (các chồng lên từ 30 đến 60mm) Khi δđ = 6mm hàn đối đầu Để nâng cao chất lượng đường hàn, tăng tính cơng nghiệp hóa lắp ghép bể, đáy hàn nhà máy sau cuộn lại để dễ vận chuyển Tại công trường dùng máy trải phẳng cuộn thép vị trí xây dựng bể Tùy theo thể tích bể, khả thi cơng chia đáy thành nhiều cuộn lắp ghép Dc Dđ b Hình 1.2: Cấu tạo đáy bể Đất đắp; 2.Đệm cát; 3.Lớp cách nước DC: đường kính đệm cát; Dđ: đường kính đáy bể Khi hàn trực tiếp đáy cát bể (phương pháp bán tấm), cho phép hàn đối đầu phía để giảm biến hình hàn, trình tự hàn sau: hàn đáy, hàn vành biên, hàn thân bể với thành biên, hàn khu với thành biên Để thân bể tì sát đáy, vành biên đáy chuyển liên kết chồng thành liên kết đối đầu sau (Hình 1.3): cắt thép 1, đập phẳng mép hai 2, hàn đối đầu lót (cắt từ 1) Hình 1.3: Cấu tạo đáy bể Đường kính đáy thường lớn đường kính thân khoảng 100 mm - Cấu tạo thân bể: thân bể phận chịu lực gồm nhiều đoạn khoang thép hàn lại Chiều cao đoạn thân chiều rộng thép định hình, thường dùng 15006000mm Đường hàn thẳng đứng nối thép đoạn thân đường hàn đối đầu, liên kết đoạn thân