Hiệu quả kinh tế - kỹ thuật của việc tận dụng đá xít thải thay thế đá hộc và cát lấp sau tường chắn cứng

Kết quả nghiên cứu sẽ góp phần giải quyết bài toán tận thu tài nguyên, khắc phục tình trạng ngày càng khan hiếm cát và đá hộc, giảm thiểu ô nhiễm môi trường và giảm khả năng gây ra tai họa của các bãi đá xít thải ở Quảng Ninh.

HIỆU QUẢ KINH TẾ - KỸ THUẬT CỦA VIỆC TẬN DỤNG ĐÁ XÍT THẢI THAY THẾ ĐÁ HỘC VÀ CÁT LẤP SAU TƯỜNG CHẮN CỨNG * NGUYỄN VĂN VI Economic-technical effectiveness of using wasted anthracit instead of using sand and freestone for backfilling behind stiff retaining wall Abstract: This paper analyzes the influence of main phisyo-mechanical properties of backfilling materials to the work of stiff retaining wall on which we can calculate and assess the economic-technical effectiveness of using wasted anthracit instead of using sand and freestone for backfilling behind retaining wall with a case study at Quang Ninh province MỞ ĐẦU* Đá xít thải loại vật liệu đất, đá bãi thải, sản phẩm thừa trình khai thác tuyển chọn than Trước áp lực tận thu tài nguyên, giảm thiểu ô nhiễm môi trường bãi thải nhà máy tuyển than, từ kỷ XX nhà khoa học giới tiến hành nghiên cứu để sử dụng đá xít thải việc sản xuất gạch, làm vật liệu xây dựng cho cơng trình cơng nghiệp, giao thơng, dân dụng, [5] Ở nước ta đá xít thải có trữ lượng lớn hàng năm lại tăng thêm Theo số liệu thống kê, khối lượng đá xít thải tích tụ từ khai thác than khu vực Cẩm Phả - Quảng Ninh tính đến hết năm 2012 vào khoảng 3,7 tỷ m3, dự tính đến năm 2020, tăng thêm khoảng (1,6-1,9) tỷ m3 [3] Các bãi đá xít thải có diện tích lớn chiều cao có nơi đến trăm mét, gây nên tình trạng nhiễm môi trường nghiêm trọng tiềm ẩn tai họa sụt lở (xem hình 1.1) [5] Hình 1.1 Một góc bãi thải Đơng Cao Sơn, Quảng Ninh Hình 1.2 Vật liệu đá xít thải bãi thải Đơng Cao Sơn [5] * Trường Đại học Công nghệ GTVT 54 Triều Khúc, Q Thanh Xuân, Hà Nội DĐ: 0974853495 Email: nguyenvivx@gmail.com ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 1+2 - 2019 Đã có giải pháp quy hoạch tổng thể bãi để tập trung thu gom đá xít thải từ mỏ lân cận mối nên khắc phục phần tình trạng nhiễm mơi trường, nhiên, chưa có giải pháp tổng thể khả thi 57 cho việc giải triệt để khối lượng đá xít thải khổng lồ kể Cũng có số đề tài nghiên cứu sử dụng vật liệu đá xít thải mỏ than Cẩm Phả - Quảng Ninh xây dựng đường ô tô [3], chế biến chúng thành cát nhân tạo [4], vật liệu xây dựng, sản xuất gạch,… Tuy nhiên, việc áp dụng kết nghiên cứu hạn chế nên lượng đá xít thải sử dụng Trong đó, nhu cầu vật liệu xây dựng cơng trình dạng tường chắn cứng kè bờ cơng trình bến cảng thành phố thuộc tỉnh Quảng Ninh thành phố khác lớn Nếu tận dụng đá xít thải thay cho vật liệu truyền thống lấp sau cơng trình nói cát đá hộc có khả đem lại hiệu kinh tế - kỹ thuật lớn, đồng thời góp phần giải toán tận thu tài nguyên, giảm thiểu ô nhiễm môi trường loại trừ tai họa tiềm ẩn bãi đá xít thải ẢNH HƯỞNG CỦA CÁC CHỈ TIÊU CƠ LÝ CHỦ YẾU CỦA VẬT LIỆU LẤP ĐẾN SỰ LÀM VIỆC CỦA TƯỜNG CHẮN CỨNG Đối với tường chắn cứng, tải trọng tác dụng lên tường chủ yếu áp lực đất Chúng ta xem xét phân tích tác dụng áp lực đất lên tường chắn hình 2.1 Giả sử đất lấp đồng khơng có tải trọng tác dụng mặt đất Khơng làm tính tổng quát phân tích ảnh hưởng đặc trưng cơ-lý vật liệu lấp đến trạng thái suất-biến dạng tường chắn cứng, xét ổn định lật tường quanh mép trước (điểm O hình 2.1) Khi tính tốn cường độ áp lực đất chủ động lên tường chắn trường hợp này, sử dụng cơng thức tổng qt có xét đến tác dụng lực dính Tuy nhiên, xét đến điều kiện thực tế là, vật liệu lấp sau tường thường vật liệu rời cát, đát hộc, đát xít thải, nên tính tốn ta lấy lực dính đơn vị c = Ngồi ra, để đơn giản mà không ảnh hưởng nhiều đến chất toán ta bỏ qua ma sát đất tường tính áp lực đất Khi đó, cường độ áp lực đất chủ động chân tường xác định theo công thức  a   a   tg (450  a / 2) (2.1) hợp lực áp lực đất chủ động 1 Ea  a.ha  (a.ha.a).ha a.ha2.tg2(450 a /2) (2.2) 2 Hình 2.1 Tải trọng áp lực đất tác dụng lên cơng trình dạng tường chắn cứng Từ đó, mơ men gây lật áp lực đất chủ động xác định theo công thức M l  Ea /   a ha3 tg (450  a / 2) (2.3) Tương tự, cường độ áp lực đất bị động chân tường xác định theo công thức (2.4)  p   p hp p   p hp tg (450   p / 2) , hợp lực áp lực đất bị động 1 E p   p h p  ( p hp  p ).h p   p hp2 tg (450   p / 2) (2.5) 2 Mô men chống lật hay mômen giữ áp lực đất bị động xác định theo công thức M g  E p h p /   p hp3 tg (450   p / 2) (2.6) 58 ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 1+2 - 2019 Từ kết ta xác định tỷ số mômen giữ mô men gây lật tác dụng áp lực đất theo công thức 3 M g  p hp tg (45   p / 2)  p  h p   tg (450   p / 2)  kol        (2.7) Ml  h tg (45   / 2)    a a a      tg (45  a / 2) Có thể gọi hệ số kol “hệ số ổn định quy ước” mơmen giữ chưa kể đến tác dụng chống lật trọng lượng thân tường phần đất phía chân tường, thành phần thẳng đứng áp lực đất chủ động kể đến ma sát đất tường Ta đặt  hp   tg (450   p / 2)  p A ; B  ; C   a    tg (45  a / 2)  Từ cơng thức tính kol (2.7) công thức (2.8) thấy rằng: 1) Khi phía sau phía trước tường lấp loại vật liệu, tức  p   a , A =1,  p  a , kích thước tường cho trước nên tỷ số hp/ha không đổi nên B = const, “hệ số ổn định quy ước” phụ thuộc vào giá trị góc ma sát vật liệu lấp  a Nghĩa là,  a lớn C lớn tương ứng kol lớn ngược lại Ví dụ, Khi  p   a = 18 kN/m3;  p  a = 300; = 10,0 m; hp = 3,0 m kol = 0,243; Khi  p   a = 18 kN/m3;  p  a = 400; = 10,0 m; hp = 3,0 m kol = 0,571 2) Khi phía sau phía trước tường lấp loại vật liệu khác có góc ma sát nhau, nghĩa  p  a , C = const, kích thước tường cho trước nên tỷ số hp/ha không đổi nên B = const, hệ số ổn định quy ước phụ thuộc vào giá trị trọng lượng thể tích vật liệu lấp  a  p Nghĩa là,  a lớn  p nhỏ A nhỏ tương ứng kol nhỏ ngược lại Ví dụ: Khi  p  a = 400 ;  a = 18 kN/m3;  p = 18 kN/m3; = 10,0 m; hp = 3,0 m kol = 0,571; Khi  p  a = 400 ;  a = 22 kN/m3;  p = 18 kN/m3; = 10,0 m; hp = 3,0 m kol = 0,467 ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 1+2 - 2019 (2.8) Như vậy, trạng thái làm việc hay trạng thái ứng suất-biến dạng cơng trình dạng tường chắn cứng chịu ảnh hưởng chủ yếu góc ma sát trọng lượng thể tích vật liệu lấp Vì cần nghiên cứu thay đổi trạng thái ứng suấtbiến dạng tường chắn tận dụng đá xít thải thay cát đá hộc để lấp sau cơng trình PHÂN TÍCH KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM XÁC ĐỊNH MỘT SỐ CHỈ TIÊU CƠ-LÝ CỦA ĐÁ XÍT THẢI 3.1 Các kết thu thập Các kết thu thập chủ yếu khu vực Cẩm Phả, Quảng Ninh, mà trực tiếp bãi thải Đông Cao Sơn - Về tổng quan, kết nghiên cứu rằng, thành phần chủ yếu đất đá xít thải gồm chủ yếu loại đá phong hóa (cát kết, bột kết, sét kết) có độ bền học khơng cao lẫn lượng nhỏ đất từ bề mặt tầng phủ, ước chiếm khoảng 10% tổng số vật liệu thải [3], [5] - Về thành phần khống hóa đá xít thải: Thành phần khống hóa đá xít thải bãi thải Đơng Cao Sơn dẫn bảng 3.1 [3] Như vậy, thành phần chủ yếu đá xít thải oxyt silic SiO2 (77,12%), sau oxyt nhơm (9,40%), oxyt sắt (4,47%),… - Về thành phần cỡ hạt đá xít thải: Theo kết nghiên cứu [3], [5], loại hạt có kích thước lớn 50 mm (nhóm A) chiếm đến xấp xỉ 90% tổng khối lượng mẫu đá xít thải 59 Ngồi ra, hạt có kích thước > 100 mm chiếm (70÷75)% nhóm A [3] Nếu xét tỷ lệ tổng hợp phân loại cỡ hạt đá xít thải bãi thải Đơng Cao Sơn hạt có kích thước > 100 mm chiếm khoảng 70% tổng khối lượng mẫu - Về cường độ chịu nén thân viên đá xít thải: Cường độ chịu nén thân viên đá xít thải dao động khoảng (70 ÷ 90) MPa [3] Như vậy, đá xít thải có cường độ khơng cao số loại đá thiên nhiên, gần cường độ số đá thiên nhiên có cường độ trung bình [3] Theo Tiêu chuẩn [2], việc phân loại đá phụ thuộc mức độ cứng đá, đá xít thải xếp vào loại “Đá cứng chắc” Loại vật liệu làm vật liệu lấp sau tường làm cơng trình kè bờ dạng tường chắn Bảng 3.1 Thành phần khoáng hóa đá xít thải khu vực Cẩm Phả - Quảng Ninh [3] Số TT Chỉ tiêu Đơn vị 10 SiO2 Fe2O3 KMn Al2O3 TiO2 K2O Na2O CaO MgO SO3 % % % % % % % % % % 3.2 Các kết thí nghiệm Để phục vụ mục đích nghiên cứu, tác giả cộng tiến hành điều tra, khảo sát nhiều khu vực rộng lớn bãi thải Đơng Cao Sơn, sau tiến hành lấy mẫu, bảo quản Kết trung bình 77,12 4,47 4,42 9,40 0,26 1,67 0,16 0,84 0,80 0,02 Phương pháp thử TCVN 7131-2002 chuyển Phòng Thí nghiệm LAS-XD72 thuộc Trường Đại học Cơng nghệ GTVT để thí nghiệm Kết thí nghiệm số tiêu đá xít thải thể bảng 3.2 [5] Bảng 3.2 Tổng hợp giá trị đại lượng thí nghiệm [5] TT Đại lượng Khối lượng riêng (hạt) đá xít thải (T/m3) Khối lượng thể tích đá xít thải (T/m3) Khối lượng thể tích đẩy đá xít thải (T/m3) Độ hút nước (%) Trong bảng 3.2, đáng ý giá trị trung bình độ hút nước đá xít thải 0,7816 Điều thể mức độ phong hóa đá xít thải khơng lớn Đá hồn tồn chịu lâu dài nước mà khơng bị phá hoại Ngồi ra, khối lượng thể tích đá xít 60 Giá trị trung bình 2,6813 1,5618 0,9690 0,7816 thải tương đối nhỏ so với cát đá hộc PHÂN TÍCH HIỆU QUẢ KINH TẾ KỸ THUẬT KHI TẬN DỤNG ĐÁ XÍT THẢI THAY THẾ ĐÁ HỘC VÀ CÁT LẤP SAU TƯỜNG CHẮN CỨNG ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 1+2 - 2019 4.1 Hiệu kỹ thuật Để đánh giá hiệu kỹ thuật kết cấu tường chắn cứng tận dụng đá xít thải lấp sau cơng trình thay cát đá hộc, tác giả cộng tiến hành tính tốn tường chắn cứng với chiều cao 10 m ổn định nội lực theo phương án vật liệu lấp sau tường với giả định khu vực tỉnh Quảng Ninh Các kết tính tốn so sánh giá trị đại lượng dẫn bảng 4.1 4.2 [5] Bảng 4.1 So sánh kết tính tốn ổn định, ứng suất pháp đáy tường chắn cứng theo phương án vật liệu lấp với mực nước cao [5] Đại lượng xét P/A lấp cát P/A lấp đá hộc Hệ số ổn định lật k l 2,499 100% Hệ số ổn định trượt phẳng ktr 1,224 100% Hệ số ổn định tổng thể kmin 1,495 100% Độ lệch tâm đáy tường e(m) 0,707 100% – 0,092  max (kPa) 167,952 100% 108,993 64,89%  (kPa) 28,851 100% Như vậy, lấy giá trị đại lượng xác định theo phương án lấp cát làm chuẩn (100%) để so sánh, ta thấy: - Các hệ số ổn định lật kl kmin lấp đá hộc đạt tương ứng 185,79% 111,37% so với hệ số ổn định tường chắn cứng lấp cát, lấp đá xít thải hệ số tương ứng đạt 137,81% 107,22% - Đặc biệt, hệ số ổn định trượt phẳng 4,643 185,79% (–)12,506 - 1,665 111,37% - 90,660 314,23% P/A lấp đá xít thải 3,444 137,81% 3,135 256,12% 1,603 107,22% 0,281 39,75% 124,376 74,05% 69,887 238,76% tường chắn cứng lấp đá xít thải 3,135, lớn gấp 2,56 lần so với hệ số ổn định tường chắn cứng lấp cát (1,224) - Các giá trị ứng suất pháp lớn  max đáy tường so với phương án lấp cát tương ứng 64,89% lấp đá hộc 74,05% lấp đá xít thải phân bố Bảng 4.2 So sánh kết tính toán ổn định, ứng suất pháp đáy tường chắn cứng theo phương án vật liệu lấp với mực nước thấp [5] Đại lượng xét P/A lấp cát P/A lấp đá hộc Hệ số ổn định lật k l 3,521 100% Hệ số ổn định trượt phẳng ktr 2,354 100% Hệ số ổn định tổng thể kmin 1,374 100% Độ lệch tâm đáy tường e (m) 0,278 100% – 0,262  max (kPa) 190,669 100%  (kPa) 107,731 100% ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 1+2 - 2019 5,817 165,21% (–) 4,060 - 1,677 122,05% - P/A lấp đá xít thải 4,470 126,95% 7,797 331,22% 1,509 109,82% 0,056 20,14% 193,577 101,53% 154,490 81,03% 113,223 105,10% 138,114 128,20% 61 Hình 4.1 Sự thay đổi hệ số ổn định mực nước cao: 1- kl; 2- kmin Từ bảng 4.1 4.2 thể thay đổi giá trị hệ số ổn định hình 4.1, 4.2, thay đổi ứng suất pháp lớn đáy tường thể hình 4.3 Hình 4.3 Sự thay đổi giá trị ứng suất pháp lớn đáy tường chắn cứng: 1- mực nước cao; 2- mực nước thấp Từ kết nhận xét sau: + Hệ số ổn định trường hợp lấp đá xít thải ln cao trường hợp lấp cát + Khi loại vật liệu lấp, ứng suất pháp lớn đáy tường  max trường hợp mực 62 Hình 4.2 Sự thay đổi hệ số ổn định mực nước thấp: 1- kl; 2- kmin nước thấp lớn  max trường hợp mực nước cao tác dụng đẩy nước + Khi mực nước thấp lấp đá xít thải, ứng suất pháp lớn đáy tường  max nhỏ nhiều so với trường hợp lấp đá hộc (xem bảng 4.2 hình 4.3) 4.2 Hiệu kinh tế Để đánh giá hiệu kinh tế tường chắn cứng tận dụng đá xít thải lấp sau cơng trình thay cát đá hộc, phải tính khối lượng giá thành phương án vật liệu lấp Kích thước tường phạm vi lấp phương án thể hình 4.4, 4.5, 4.6 [5] Khi tính tốn giá thành phương án, đơn giá vật liệu lấy theo tài liệu [6], [7] Các kết tính tốn so sánh khối lượng giá thành phương án vật liệu lấp dẫn bảng 4.3 Một cách trực quan, hình 4.7 thể việc so sánh giá thành phương án vật liệu lấp dạng cột [5] Có thể nhận xét sau: - Khối lượng phương án lấp đá hộc nhất, khối lượng phương án lấp cát nhiều - Giá thành phương án lấp cát đắt ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 1+2 - 2019 giá thành phương án lấp đá xít thải rẻ nhất, 23,97% giá thành phương án lấp cát 32,54% giá thành phương án lấp đá hộc Hình 4.4 Kết cấu kích thước tường chắn cứng sử dụng cát lấp Hình 4.5 Kết cấu kích thước tường chắn cứng sử dụng đá hộc lấp Hình 4.6 Kết cấu kích thước tường chắn cứng sử dụng đá xít thải Hình 4.7 So sánh giá thành phương án vật liệu lấp sau tường dạng cột Bảng 4.3 So sánh khối lượng giá thành phương án vật liệu lấp sau tường [5] Đại lượng Khối lượng (m3) Giá thành (đ/mét dài) P/A lấp cát P/A lấp đá hộc P/A lấp đá xít thải 106,77 100% 93,75 87,81% 102.23 95,75% 61.932.960 100% 44.993.025 73,65% 14.846.890 23,97% ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 1+2 - 2019 63 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ Từ kết đánh giá hiệu kinh tế - kỹ thuật kết cấu dạng tường chắn cứng tận dụng đá xít thải lấp sau cơng trình thay cát đá hộc khẳng định rằng, việc sử dụng đá xít thải thay cho cát đá hộc kết cấu đem lại hiệu lớn kỹ thuật kinh tế Về kỹ thuật, dùng đá xít thải lấp gây nội lực nhỏ lấp cát ổn định cát, giá thành ln rẻ cát đá hộc nhiều Kết nghiên cứu góp phần giải tốn tận thu tài nguyên, khắc phục tình trạng ngày khan cát đá hộc, giảm thiểu ô nhiễm môi trường giảm khả gây tai họa bãi đá xít thải Quảng Ninh Đề nghị chủ đầu tư (cả Doanh nghiệp Nhà nước tư nhân) trọng đến việc sử dụng đá xít thải xây dựng, yêu cầu nhà thầu tư vấn thiết kế phải đưa phương án sử dụng đá xít thải vào hồ sơ lựa chọn phương án kết cấu phải coi phương án quan trọng TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] TCVN 9152:2012 Cơng trình thủy lợi – Quy trình thiết kế tường chắn cơng trình thủy lợi [2] TCVN 4253:2012 Cơng trình thuỷ lợi – Nền cơng trình thuỷ cơng – u cầu thiết kế [3] Phạm Huy Khang, Nguyễn Hữu Trí, Đỗ Văn Thái (2015), “Nghiên cứu sử dụng vật liệu đất đá thải mỏ than Cẩm Phả - Quảng Ninh khả sử dụng chúng xây dựng đường tơ”, Tạp chí Giao thơng vận tải, số tháng 11 [4] Trà Vân, “Cát nhân tạo Thiên Nam: Sự lựa chọn cho nhà thầu uy tín”, Báo THANH TRA, 25/02/2017 [5] Nguyễn Văn Vi nnk (2018), Nghiên cứu tận dụng vật liệu đá xít thải thay cát đá hộc để tạo kết cấu kè bờ cơng trình bến cảng có hiệu kinh tế-kỹ thuật cao, Đề tài NCKH&CN cấp Bộ GTVT, mã số DT184058 [6] Sở Xây dựng tỉnh Quảng Ninh Văn số 3618/2018/CBG-SXD ngày 08/10/2018: Công bố giá vật tư, vật liệu, máy, thiết bị xây dựng địa bàn tỉnh Quảng Ninh quý III năm 2018 [7] Sở Xây dựng tỉnh Quảng Ninh Quyết định số 3666/QĐ-SXD ngày 07/12/2016 Công bố định mức vận chuyển vật liệu xây dựng đường đường thuỷ địa bàn tỉnh Quảng Ninh Người phản biện: GS.TS ĐỖ NHƯ TRÁNG 64 ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 1+2 - 2019 ... tích đá xít 60 Giá trị trung bình 2,6813 1,5618 0,9690 0,7816 thải tương đối nhỏ so với cát đá hộc PHÂN TÍCH HIỆU QUẢ KINH TẾ KỸ THUẬT KHI TẬN DỤNG ĐÁ XÍT THẢI THAY THẾ ĐÁ HỘC VÀ CÁT LẤP SAU TƯỜNG... CÁT LẤP SAU TƯỜNG CHẮN CỨNG ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 1+2 - 2019 4.1 Hiệu kỹ thuật Để đánh giá hiệu kỹ thuật kết cấu tường chắn cứng tận dụng đá xít thải lấp sau cơng trình thay cát đá hộc, tác giả cộng... KỸ THUẬT SỐ 1+2 - 2019 63 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ Từ kết đánh giá hiệu kinh tế - kỹ thuật kết cấu dạng tường chắn cứng tận dụng đá xít thải lấp sau cơng trình thay cát đá hộc khẳng định rằng, việc