Nghiên cứu sử dụng hợp lý hệ dung dịch polumer bentonite trong khoan cọc nhồi tại khu vực hà nội

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC MỎ - ĐỊA CHẤT PHẠM HỮU ĐẠI NGHIÊN CỨU SỬ DỤNG HỢP LÝ HỆ DUNG DỊCH POLYMER – BENTONITE TRONG KHOAN CỌC NHỒI TẠI KHU VỰC HÀ NỘI LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT HÀ NỘI - 2012 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC MỎ - ĐỊA CHẤT PHẠM HỮU ĐẠI NGHIÊN CỨU SỬ DỤNG HỢP LÝ HỆ DUNG DỊCH POLYMER – BENTONITE TRONG KHOAN CỌC NHỒI TẠI KHU VỰC HÀ NỘI Chuyên nghành: Kỹ thuật khoan, khai thác cơng nghệ dầu khí Mã số: 60.53.50 LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS TRẦN ĐÌNH KIÊN HÀ NỘI - 2012 LỜI CAM ĐOAN Tơi xin cam đoan cơng trình nghiên cứu riêng Tên đề tài luận văn, số liệu luận văn thu thập từ thực tế kết nghiên cứu không trùng lặp với cơng trình khoa học cơng bố Hà nội, – 2012 Tác giả luận văn Phạm Hữu Đại MỤC LỤC TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI MỤC ĐÍCH NGHIÊN CỨU NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG NGHIÊN CỨU CỦA LUẬN VĂN Ý NGHĨA THỰC TIỄN CỦA LUẬN VĂN CÁC ĐIỂM MỚI VÀ LUẬN ĐIỂM BẢO VỆ TÀI LIỆU CƠ SỞ CỦA LUẬN VĂN CẤU TRÚC LUẬN VĂN 10 CHƯƠNG 11 TỔNG QUAN ĐỊA CHẤT KHU VỰC HÀ NỘI 11 1.1 Đặc điểm điều kiện thi công cọc khoan nhồi khu vực Hà Nội 11 1.1.1 Điều kiện tự nhiên kinh tế xã hội khu vực Hà Nội 11 1.1.2 Điều kiện địa chất 13 1.2 Tổng quan công nghệ thi công cọc khoan nhồi 24 1.2.2 Một số khuyết tật cọc khoan nhồi ảnh hưởng tới chất lượng cọc 25 CHƯƠNG 27 NGHIÊN CỨU TÍNH CHẤT BENTONITE VÀ DUNG DỊCH ĐIỀU CHẾ TỪ BENTONITE 27 2.1 Vai trò dung dịch Bentonite khoan cọc nhồi 27 2.1.1.Tạo phản áp, giữ thành lỗ khoan không bị sập lở 27 2.1.2 Gia cố thành giếng khoan 27 2.1.3 Ngăn ngừa lắng đọng mùn khoan đáy hố khoan sau khoan xong 28 2.1.4 Làm mát bôi trơn dụng cụ khoan 28 2.2.Thành phần khoáng vật dung dịch Bentonite 29 2.2.1.Cấu trúc sét: 30 2.2.2 Sự trương nở hydrat hóa sét 37 2.3 Đặc điểm dung dịch Betonite lảm ảnh hưởng đến ổn định cho cọc khoan nhồi 41 2.4 Đánh giá ưu nhược điểm trình sử dụng Bentonite 45 2.4.1 Ưu điểm 45 2.4.2 Nhược điểm 46 CHƯƠNG 47 NGHIÊN CỨU TÍNH CHẤT POLYMER VÀ DUNG DỊCH ĐIỀU CHẾ TỪ POLYMER 47 3.1 Đặc tính chung hoá phẩm Polymer 47 3.2 Các loại hoá phẩm Polymer 49 3.3 Đặc tính dung dịch điều chế từ hoá phẩm Polymer 53 3.4 Đánh giá ưu, nhược điểm trình sử dụng Polymer khoan cọc nhồi 54 3.4.1 Ưu điểm 54 3.4.2 Nhược điểm 54 CHƯƠNG 56 NGHIÊN CỨU SỬ DỤNG DUNG DỊCH POLYMER – BENTONITE 56 4.1 Tình hình sử dụng 56 4.2 Lựa chọn Bentonite để điều chế dung dịch Polymer - Bentonite 56 4.3 Lựa chọn vật liệu Polymer điều chế dung dịch Polymer - Bentonite 58 4.4 Lựa chọn môi trường phân tán 58 4.5 Nghiên cứu lựa chọn đơn pha chế dung dịch Polymer - Bentonite 59 4.6 Tính tốn khối lượng thành phần dung dịch Polymer – Bentonite 59 4.6.1 Xác định hàm lượng sét bột dung dịch Bentonite với trọng lượng riêng dung dịch theo yêu cầu 60 4.6.2 Điều chế dung dịch Polymer – Bentonite với γ = 1.05 G/cm3 theo yêu cầu 62 4.6.3 Điều chế dung dịch Polymer – Bentonite với γ = 1.04 G/cm3 theo yêu cầu 63 4.6.4 Điều chế dung dịch Polymer – Bentonite với γ = 1.03 G/cm3 theo yêu cầu 65 4.6.5 Điều chế dung dịch Polymer – Bentonite với γ = 1.02 G/cm3 theo yêu cầu 67 4.6.6 Điều chế dung dịch Polymer – Bentonite với γ = 1.01 G/cm3 theo yêu cầu 69 4.6.7 Kết điều chế dung dịch Polymer – Bentonite ứng dụng cho điều kiện địa chất 72 CHƯƠNG 73 THỬ NGHIỆM KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU TRONG ĐIỀU KIỆN SẢN XUẤT 73 5.1 Đặc điểm địa chất khu vực thi công 73 5.2 Thí nghiệm kiểm tra chất lượng bê tơng siêu âm 74 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 79 DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Hình 1.1 Cấu trúc địa chất dạng 19 Hình 1.2 Cấu trúc địa chất dạng 19 Hình 1.3 Cấu trúc địa chất dạng 20 Hình 1.4 Cấu trúc địa chất dạng 21 Hình 1.5 Cấu trúc địa chất dạng 21 Hình 1.6 Cấu trúc địa chất dạng 22 Hình 1.7 Cấu trúc địa chất dạng 23 Hình 1.8 Cấu trúc địa chất dạng 23 Hình 2.1 Cấu trúc tứ diện Silic (a) cấu trúc mạng tứ diện Silic (b) 30 Hình 2.2 Cấu trúc bát diện nhôm (a) cấu trúc mạng bát diện nhôm (b) 31 Hình 2.3 Sơ đồ cấu trúc khống vật sét Montmorillonit 34 Hình 2.4 Sơ đồ cấu trúc khoáng vật sét Kaolinit 35 Hình 2.5 Sơ đồ cấu trúc khống vật Hydromica Muscovite 37 Hình 2.6 Cấu trúc khoáng vật sét sau trương nở 40 Hình 5.1 Trụ địa chất hố khoan 75 Hình 5.2 Siêu âm cọc biểu đồ siêu âm 77 DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 2.1 Tổng hợp cấu trúc tính chất khống vật sét 32 Bảng 2.2 Đường kính cation trạng thái trước sau hút nước 36 Bảng 2.3 Thành phần khoáng vật mẫu sét thuộc kỷ Cretta 38 Bảng 2.4 Đặc tính ion kim loại 39 Bảng 3.1 Một số hoá phẩm Polymer dùng điều chế dung dịch khoan 50 Bảng 4.1 Tính chất sét bột tiêu chuẩn API 57 Bảng 4.2 Chỉ tiêu tính ban đầu dung dịch Bentonite 57 Bảng 4.3 Đơn pha chế thông số dung dịch Polymer – Bentonite 70 Bảng 4.4 Kết lựa chọn thông số dung dịch cho điều kiện địa chất 71 Bảng 5.1 Bảng số liệu kiểm tra chất lượng siêu âm 78 MỞ ĐẦU TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI Trong năm gần công nghệ khoan cọc nhồi áp dụng rộng rãi cơng trình xây dựng nước ta Việc nghiên cứu biện pháp thi công để đảm bảo chất lượng cọc khoan nhồi vấn đề cấp thiết liên quan trực tiếp tới kinh tế, uy tín nhà thầu thi cơng, chất lượng cọc khoan nhồi ln đặt lên hàng đầu nhà thầu thi công Các khuyết tật cọc khoan nhồi ảnh hưởng tới chất lượng tập chung chủ yếu mũi cọc việc xử lý cặn lắng chưa triệt để Việc mũi cọc không đảm bảo chất lượng phụ thuộc nhiều vào dung dịch khoan ta dùng đặc biệt Hà Nội địa chất có nhiều lớp cát xen kẽ với chiều dày lớn gây khó khăn cho việc làm mũi cọc Do việc nghiên cứu dung dịch có thơng số kỹ thuật phù hợp với địa chất khu vực Hà Nội góp phần đảm bảo chất lượng cọc, rút ngắn thời gian thi công, tiết kiệm mặt kinh tế cần thiết để thay cho dung dịch khoan ta dùng Bentonite Polymer MỤC ĐÍCH NGHIÊN CỨU Nghiên cứu ứng dụng dung dịch Polymer – Bentonite nhằm mục đích nâng cao chất lượng cọc khoan nhồi, đáp ứng yêu cầu kỹ thuật, tiết kiệm mặt kinh tế, giảm thời gian thi công NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG NGHIÊN CỨU CỦA LUẬN VĂN Để đạt mục đích trên, đề tài nghiên cứu cần thực nhiệm vụ sau: Nghiên cứu sử dụng hệ dung dịch Polymer – Bentonite để nâng cao chất lượng cọc khoan nhồi 67 Tỷ lệ chất keo: = 99 % Độ pH: = 4.6.5 Điều chế dung dịch Polymer – Bentonite với γ = 1.02 G/cm3 theo yêu cầu Thể tích dung dịch sét Bentonite VDS (m3) dùng điều chế dung dịch Polymer -Bentonite: VDS = VPB γ PB (γ PB − γ ) γ DS (γ DS − γ ) VPB - thể tích dung dịch Polymer – Bentonite cần điều chế, m3; Ta chọn VPB = m3 γ PB - trọng lượng riêng dung dịch Polymer - Bentonite cần điều chế theo yêu cầu, kg/m3; γ PB = 1.02 (G/cm3) γ DS - trọng lượng riêng dung dịch sét Bentonite dùng điều chế dung dịch Polymer -Bentonite γ DS = 1.05 (G/cm3) Ta có V DS dung dịch sét Bentonite = 0.4 (m3) V DS = 1× Thể tích VSB (m3) bột sét Bentonite cần điều chế dung dịch: V SB = V D γ2 −γ3 = 0.4× γ1 − γ = 0.02 (m3) Khối lượng sét bột M SB (kg) Bentonite cần điều chế dung dịch: M SB = γ 1VSB = 2000 × 0.02 = 40 (kg) 68 Thể tích nước VN ( m3) dùng điều chế 0.4 (m3) dung dịch Bentonite xác định theo công thức: VN = VD − VB = 0.4 – 0.02 = 0.38 (m ) Hàm lượng sét bột Bentonite có dung dịch Polymer – Bentonite là: KB = = × 100 = 3.0 % Thể tích dung dịch Polymer cần thiết để điều chế m3 dung dịch Polymer – Bentonite với γ = 1.02 G/cm3 là: VDP = – VDS = – 0.4 = 0.6 (m3) Từ kết điều chế dung dịch Polymer – Bentonite, tỷ lệ thể tích Polymer/ Bentonite: 1.5:1 ta có thơng số dung dịch điều chế: Trọng lượng riêng: γ = 1.02 G/cm3 Độ nhớt: T = 24 s Độ thải nước: B = 12 ml/30 phút Độ dày áo sét: K = 1.0 mm Lực cắt tĩnh: = 25 mg/cm2 Hàm lượng cát: = 0.03 % Độ ổn định: =0.01 g/cm3 Tỷ lệ chất keo: =99 % Độ pH: = 69 4.6.6 Điều chế dung dịch Polymer – Bentonite với γ = 1.01 G/cm3 theo yêu cầu Thể tích dung dịch sét Bentonite VDS (m3) dùng điều chế dung dịch Polymer -Bentonite: VDS = VPB γ PB (γ PB − γ ) γ DS (γ DS − γ ) VPB - thể tích dung dịch Polymer – Bentonite cần điều chế, m3; Ta chọn VPB = m3 γ PB - trọng lượng riêng dung dịch Polymer - Bentonite cần điều chế theo yêu cầu, kg/m3; γ PB = 1.01 (G/cm3) γ DS - trọng lượng riêng dung dịch sét Bentonite dùng điều chế dung dịch Polymer -Bentonite γ DS = 1.05 (G/cm3) Ta có V DS dung dịch sét Bentonite = 0.2 (m3) V DS = 1× Thể tích VSB (m3) bột sét Bentonite cần điều chế dung dịch: V SB = V D γ2 −γ3 = 0.2× γ1 − γ = 0.01 (m3) Khối lượng sét bột M SB (kg) Bentonite cần điều chế dung dịch: M SB = γ 1VSB = 2000 × 0.01 = 20 (kg) Thể tích nước VN ( m3) dùng điều chế 0.2 (m3) dung dịch Bentonite xác định theo công thức: VN = VD − VB = 0.2 – 0.01 = 0.19 (m ) 70 Hàm lượng sét bột Bentonite có dung dịch Polymer – Bentonite là: KB = = × 100 = 4.0 % Thể tích dung dịch Polymer cần thiết để điều chế m3 dung dịch Polymer – Bentonite với γ = 1.01 kg/m3 là: VDP = – VDS = – 0.2 = 0.8 (m3) Từ kết điều chế dung dịch Polymer – Bentonite, tỷ lệ thể tích Polymer/ Bentonite: 4:1 ta có thơng số dung dịch điều chế: Trọng lượng riêng: γ = 1.01 G/cm3 Độ nhớt: T = 24 s Độ thải nước: B = 10 ml/30 phút Độ dày áo sét: K = 1.0 mm Lực cắt tĩnh: = 25 mg/cm2 Hàm lượng cát: = 0.01 % Độ ổn định: =0.01 g/cm3 Tỷ lệ chất keo: = 99 % Độ pH: = Từ kết điều chế thông số dung dịch khoan theo yêu cầu ta có bảng đơn pha chế thơng số dung dịch Polymer – Bentonite 71 Bảng 4.3 Đơn pha chế thông số dung dịch Polymer - Bentonite Các thông số TT Thành phần Π, % pH 1.5 θ, mmG /cm2 25 0.1 14 1.5 25 0.1 24 15 1.5 25 0.1 1,03 24 12 1.0 25 0.05 1,03 24 12 1.0 25 0.05 1,03 24 12 1.0 25 0.05 Nước + Bentonit 1% + Polymer 0.6% + Na2CO3 0.7% 1,02 24 12 1.0 25 0.03 1,02 24 12 1.0 25 0.03 1,02 24 12 1.0 25 0.03 Nước + Bentonit 0.5% + Polymer 1% + Na2CO3 1.2% 1,01 24 10 25 0.01 1,01 24 10 25 0.01 1,01 24 10 25 0.01 T, s B, cm /30ph K, mm 1,04 24 15 1,04 24 1,04 Nước + Bentonit 2% + Polymer 0.5% + Na2CO3 0.6% γ, g/cm3 Nước + Bentonit 3% + Polymer 0.3% + Na2CO3 0.5% 72 4.6.7 Kết điều chế dung dịch Polymer – Bentonite ứng dụng cho điều kiện địa chất Bảng 4.4 Kết lựa chọn thông số dung dịch cho điều kiện địa chất Điều kiện địa chất Các thơng số dung dịch Đất đá mềm bở rời, có lớp cát xen kẽ Đất đá tương đối ổn định Đất đá ổn định, γ, G/cm3 1,01 -1,02 1,02 -1,03 1,03-1,05 T, s 25 - 28 22 – 25 22 - 25 B, cm3/30ph 8-10 8-10 10-12 K, mm