5. Cấu trỳc đề tài luận ỏn
4.6. Định hướng cụng nghệ sử dụng vật liệu phụ gia chống cỏt chảy
4.6.1. Đặc điểm xõy dựng nền múng đường ụ tụ ở Nghi Sơn, Thanh Húa
Hỡnh 4.14. Hỡnh ảnh cỏt chảy vào hố đào nền múng đường ụ tụ ở Nghi Sơn
- Khỏc với cỏc cụng trỡnh dõn dụng, múng đường ụ tụ thường trải dài hàng
chục, thậm chớ hàng trăm km; vỡ vậy khụng thể ỏp dụng cỏc giải phỏp cụng nghệ phức tạp, đắt tiền như tường võy, cọc chắn, jet grouting…
- Múng đường ụ tụ thường cú chiều sõu hạn chế từ 1m đến 3 m, do vậy giải
phỏp xõy dựng hào chống dũng thấm bằng cỏch cho vật liệu phụ gia vào hào, dưới ỏp lực của dũng thấm, vật liệu phụ gia sẽ thấm nhập vào cỏt chảy làm hạn
chế khả năng hoạt động của dũng thấm bằng cỏch tỏc động vào cả hai yếu tố/ điều kiện gõy ra cỏt chảy kết hợp bơm hỳt nước làm khụ hố múng.
- Vựng ven biển Nghi Sơn cú địa hỡnh khỏ bằng phẳng, tầng nước ngầm
thường khụng sõu, mặt bằng xõy dựng khỏ rộng rói; điều kiện bố trớ cỏc hào chống thấm thuận lợi.
4.6.2. Giải phỏp định hướng chống cỏt chảy bằng Hào chặn dũng ngầm (Hào chống thấm) chống thấm)
- Khi xõy dựng nền múng cụng trỡnh ở khu vực cú cỏt chảy, người ta thường ỏp dụng cỏc nhúm giải phỏp cụng nghệ chớnh:
1). Triệt tiờu dũng ngầm (thỏo khụ), hạ thấp mực nước ngầm (giếng cỏt đơn hoặc đa giếng...).
2). Chặn dũng ngầm (tường chắn, hệ cọc, tường võy, đúng băng nước ngầm, jet grouting…)
3). Hạn chế khả năng hoạt động của dũng ngầm bằng cỏch tỏc động vào cả hai yếu tố/ điều kiện gõy ra cỏt chảy kết hợp bơm hỳt nước làm khụ hố múng.
Nhúm giải phỏp 1) và 2) đũi hỏi đầu tư thiết bị rất đắt tiền, thi cụng phức tạp, thường được ỏp dụng cho thi cụng cỏc hố múng cụng trỡnh cú diện tớch khụng lớn, hố múng và tầng nước ngầm sõu.
- Múng đường ụ tụ thường kộo dài theo diện rộng tới hàng chục, hàng trăm km và cú chiều sõu hạn chế khoảng 1 – 3 một; khi đú ỏp dụng giải phỏp 3) bằng cỏch làm hào chặn dũng ngầm kết hợp cho thấm nhập vào tầng cỏt chảy cỏc vật liệu phụ gia (VLPG) làm thay đổi thuộc tớnh cơ lý của cỏt ngầm và dũng ngầm, nhờ đú làm giảm hệ số thấm (giảm vận tốc thấm), và do đú hạn chế được cỏt chảy, tạo điều kiện cho hỳt khụ nước và thi cụng múng thuận lợi.
- Hiện nay cụng nghệ hào chắn dũng ngầm hầu như chưa được ỏp dụng; trong điều kiện hạn chế, NCS đề cập giải phỏp và thảo luận về định hướng cụng nghệ hào chống cỏt chảy, làm cơ sở cho cỏc phỏt triển nghiờn cứu tiếp tục.
Sơ đồ hào chống cỏt chảy khi xõy dựng nền mống đường ụ tụ ở khu vực
Hỡnh 4.15. Sơ đồ MCN hào VLPG chống cỏt chảy đối với hố múng cụng trỡnh đường ụ tụ Trong đú: - Chiều sõu hố múng: h1+h2 - Cao độ MNN: h2 - Chiều rộng hố múng: b - Chiều dài hố múng: l
- Chiều cao hào vật liệu chống cỏt chảy: H
- Chiều rộng hào: B
- Chiều dài hào: L
- Khoảng cỏch từ đỏy hố múng đến hào lần lượt là: l1 và l2
Để ứng dụng cú hiệu quả cụng nghệ “hào chống cỏt chảy” cần nghiờn cứu cỏc vần đề:
+ Cỏc khoảng cỏch từ thành hào tới thành hố múng: l1 và l2 cần được
nghiờn cứu hiện trường căn cứ vào điều kiện mặt bằng và hoạt động của tầng cỏt chảy.
+ Chiều sõu H, chiều rộng hào B; cỏc tham số này được quyết định khi nghiờn cứu thực tế tựy thuộc vào chiều sõu hố múng.
- Để thi cụng hào ngăn dũng ngầm, cần nghiờn cứu thiết kế chế tạo bộ cụng tỏc nhằm cơ giới húa, tự động húa. Thiết bị cú thể vừa đào hào, vừa bơm vào
hào vật liệu phụ gia thớch hợp (Cỏc VLPG đó nghiờn cứu trong luận ỏn). Thiết bị cho phộp thi cụng hào theo kiểu cuốn chiếu, tịnh tiến. Dựng thiết bị đào hào trong tầng cỏt chảy theo kớch thước tớnh toỏn đến chiều sõu thiết kế, đồng thời bơm VLPG xuống hào để thấm nhập vào tầng cỏt chảy; từ đú ngăn dũng ngầm hai bờn hố múng chảy vào nền đường, tạo điều kiện bơm hỳt khụ hố múng và thi cụng nền đường.
Trỡnh tự thực hiện như sau:
Khảo sỏt, đỏnh giỏ điều kiện địa chất thủy văn, địa hỡnh địa mạo khu vực xõy dựng cụng trỡnh; Chiều sõu MNN, hướng dũng ngầm, sự biến đổi MNN theo mựa và cỏc tỏc động của khớ hậu, thủy triều; đỏnh giỏ, xỏc định cấu tạo, phạm vi phõn bố và hoạt động của tầng cỏt chảy;
Khảo sỏt, đỏnh giỏ điều kiện cung ứng, giỏ thành vật liệu khu vực Nghi Sơn và khu vực phụ cận;
Lựa chọn VLPG hợp lý (đó thực hiện trong luận ỏn), biện phỏp tổ chức thi cụng và tớnh toỏn cỏc tham số của Hào VLPG chống cỏt chảy;
Phõn tớch, đỏnh giỏ kinh tế, kỹ thuật đối với giải phỏp Hào VLPG chặn dũng ngầm đối với đường ụ tụ;
Phờ duyệt và tổ chức thi cụng Hào VLPG chống cỏt chảy:
Định vị nền đường và Hào trờn thực địa; chuẩn bị VLPG đó lựa
chọn; chuẩn bị bộ cụng tỏc đào và bơm VLPG vào hào đó chế tạo;
Dựng thiết bị bộ cụng tỏc đào Hào đến chiều sõu, kớch thước thiết
kế theo kiểu cuốn chiếu, tịnh tiến dần; đào đến đõu, bơm VLPG xuống hào đến đú để VLPG thấm nhập vào tầng cỏt chảy, trỏnh cỏt chảy gõy sạt lở. Cú thể thi cụng Hào tuần tự một bờn hoặc đồng thời hai bờn nền đường theo từng đoạn chiều dài của Hào;
Để thời gian nhất định cho VLPG thấm nhập vào tầng cỏt chảy, kết
hợp bơm hỳt, tiến hành đào và thi cụng nền đường.
+ Túm lại: Để giải quyết vấn đề chống cỏt chảy trong xõy dựng nền múng
đường ụ tụ ở khu vực Nghi Sơn, một trong những giải phỏp thớch hợp, khả dụng và tiết kiệm là ỏp dụng cụng nghệ “hào chống cỏt chảy”. Để ỏp dụng hiệu quả cụng nghệ đú cần nghiờn cứu giải quyết hai vấn đề:
- Nghiờn cứu cỏc tổ hợp vật liệu phụ gia hợp lý về kinh tế - kỹ thuật chống cỏt chảy; vấn đề này đó được NCS nghiờn cứu và giới thiệu trong luận ỏn.
- Nghiờn cứu giải phỏp xõy dựng hào kỹ thuật phự hợp điều kiện hiện trường.
Do điều kiện hạn chế về thời gian, kinh phớ...trong luận ỏn mới chỉ đề cập đến định hướng cho những nghiờn cứu tiếp tục.
4.7. Nhận xột, kết luận chương 4
1) - Hiện nay cú nhiều phương phỏp xỏc định hệ số thấm của lớp cỏt chảy, như thớ nghiệm trong phũng với cột nước khụng đổi, tớnh toỏn lý thuyết, phương phỏp hiện trường. Tuy nhiờn phương phỏp tớnh toỏn lý thuyết cũn nhiều hạn chế vỡ chưa xột đến cỏc yếu tố về thuộc tớnh, thành phần, độ chặt của cỏt, nhiệt độ mụi trường …
Thỏng 12 năm 2010, viện Khoa học cụng nghệ GTVT đó nghiờn cứu đo hệ số thấm của cỏt chảy Nghi Sơn bằng phương phỏp của ASTM D2434
Constant Head Permeability Test (hỡnh 4.15).
Năm 2012-2013 Ths. Lờ Như Nam và cộng sự đó tiến hành đo thấm của
cỏt chảy Nghi Sơn bằng bộ thiết bị phức hợp CEPM, (hỡnh 4.16)
Phương phỏp thớ nghiệm trong phũng ớt tốn kộm nhưng hạn chế về kớch thước, tớnh nguyờn dạng của mẫu thớ nghiệm, nước và nhiệt độ thớ nghiệm khụng hoàn toàn đỳng như thực tế, … do đú kết quả thớ nghiệm cú những sai số nhất định. Để khắc phục tỡnh trạng đú, tỏc giả sử dụng dụng phương phỏp thớ nghiệm hiện trường để xỏc định hệ số thấm của lớp cỏt chảy Nghi Sơn trong điều kiện tự nhiờn.
Hỡnh 4.17. Thớ nghiệm đo thấm bằng bộ thiết bị CEPM
2) - So sỏnh với kết quả thực nghiệm hiờn trường và trong phũng cho thấy:
- Hệ số thấm của cỏt Nghi Sơn xỏc định tại hiện trường: k0tb = 0,95.10-3
(cm/s)
- Kết quả thớ nghiệm hệ số thấm của cỏt trong tầng cỏt chảy Nghi Sơn do phũng thớ nghiệm trọng điểm đường bộ 1 - Viện khoa học cụng nghệ Giao
thụng vận tải thực hiện, 12/ 2010, theo phương phỏp của ASTM, USA: k0tb =
0,83.10-3 cm/s;
Sai khỏc so với kết quả thực nghiệm hiện trường = -14,5 %
- Kết quả đo thấm của cỏt trong tầng cỏt chảy Nghi Sơn bằng bộ thiết bị CEPM do Ths. Lờ Như Nam và cộng sự thực hiện năm 2012:
kotb = 0,089. 10-3 cm/s; Sai khỏc so với thực nghiệm hiện trường = - 6,7
%
Kết quả thớ nghiệm hiện trường đỏng tin cậy hơn kết quả thớ nghiệm trong phũng do thực hiện trong cỏc điều kiện gần sỏt thực tế; sai số kết quả đo trong phũng từ 7 % đến 14 % là cú thể chấp nhận được. Do tớnh phức tạp của bài toỏn đo thấm, ngay với từng phương phỏp thực nghiệm, kết quả những lần đo khỏc nhau vẫn bị phõn tỏn trong phạm vi xấp xỉ 3 – 5%.
Thực nghiệm đo thấm ở hiện trường rất khú khăn và tốn kộm; từ kết quả đỏnh giỏ như trờn, cú thể tiến hành thớ nghiệm đo thấm trong phũng khi nghiờn cứu tớnh thấm của cỏt trong tầng cỏt ngầm bóo hũa nước. Trong những trường
hợp đũi hỏi độ chớnh xỏc cao, cỏc kỹ sư nờn nghiờn cứu thực nghiệm hiện trường để cú kết quả tin cậy hơn.
Số liệu thực nghiệm hiện trường cú sai khỏc so với trong phũng tuy nhiờn sai khỏc khụng lớn; sở dĩ cú sự sai khỏc vỡ cỏc lý do sau đõy:
- Nước sử dụng thớ nghiệm phũng là nước mỏy ớt lẫn tạp chất, trong khi nước thấm ngoài thực tế cú chứa nhiều bui sột, khoỏng chất như oxit, muối, …
- Nhiệt độ thớ nghiệm trong phũng cũng cú sai khỏc so với thớ nghiệm ngoài hiện trường.
3) - Kết quả phõn tớch hiệu quả kinh tế cỏc tổ hợp VLPG cho thấy:
Tổ hợp cỏc vật liệu phụ gia chống thấm hợp lý cú hiệu quả cao về mặt kỹ thuật: chống cỏt chảy (làm giảm hệ số thấm của cỏt chảy) đó được giới thiệu ở chương 3.
Qua phõn tớch kinh tế thấy rằng: vật liệu phụ gia Bentonite, bột sột và xi măng đều cú hiệu quả kinh tế tốt. Để cựng đạt tới một hệ số thấm yờu cầu thỡ vật liệu phụ gia bentonite cho thấy hiệu quả kinh tế cao nhất, nhưng nếu xột về tớnh dễ cung ứng, giỏ thành rẻ, dễ thi cụng thỡ vật liệu bột sột, xi măng cú tớnh cạnh tranh rất cao.
Do điều kiện hạn chế, luận ỏn chưa thể nghiờn cứu sõu về cụng nghệ „Hào chống thấm”; trong tương lai, cần tiếp tục nghiờn cứu thực tế hiện trường, với điều kiện địa chất thủy văn cụ thể; khi đú tựy thuộc kết quả phõn tớch nhiều yếu tố mà cú thể lựa chọn phương ỏn thớch hợp trong số 7 loại tổ hợp vật liệu đó nờu ở chương 3.
KẾT LUẬN, KIẾN NGHỊ
1. Để đề xuất được giải phỏp hợp lý chống cỏt chảy trong xõy dựng đường ụ tụ tại Khu kinh tế Nghi Sơn, luận ỏn đó tiến hành cỏc nội dung nghiờn cứu sau:
- Nghiờn cứu tổng quan về cỏt chảy; bao gồm lý thuyết thấm, hoạt động của
cỏt chảy; cỏc sự cố do cỏt chảy gõy ra trong quỏ trỡnh xõy dựng khai thỏc cụng trỡnh; cỏc nghiờn cứu lý thuyết và cỏc giải phỏp thực tế chống cỏt chảy trong nước và trờn thế giới…
- Nghiờn cứu đặc điểm địa chất thủy văn và hoạt động của đới nước ngầm
khu vực Nghi Sơn, Thanh Húa.
- Nghiờn cứu về cỏt biển Nghi Sơn, hệ số thấm của cỏt trong tầng ngầm cú
khả năng gõy ra cỏt chảy.
- Nghiờn cứu thiết kế, chế tạo bộ thiết bị đo thấm phức hợp, CEPM; dựng
bộ thiết bị CEPM để tiến hành nghiờn cứu thấm khi cho thấm nhập vào tầng cỏt chảy cỏc loại vật liệu phụ gia chống cỏt chảy khỏc nhau; khi thay đổi loại vật liệu, hàm lượng tỷ lệ vật liệu, hàm lượng nước để xỏc định tổ hợp vật liệu hợp lý phục vụ chống cỏt chảy.
- Nghiờn cứu thực nghiệm hiện trường để đỏnh giỏ sai số, độ tin cậy của
thực nghiệm trong phũng bằng bộ thiết bị CEPM.
- Đỏnh giỏ hiệu quả kinh tế-kỹ thuật của cỏc giải phỏp được đề xuất.
- Nghiờn cứu định hướng giải phỏp hào chặn dũng ngầm chống cỏt chảy
trong xõy dựng đường ụ tụ.
2. Những đúng gúp mới của luận ỏn:
- Luận ỏn đó phõn tớch, tổng hợp những nhúm giải phỏp cụng nghệ xử lý hiện tượng cỏt chảy trong xõy dựng cụng trỡnh núi chung: Triệt tiờu dũng ngầm (dũng thấm); chặn dũng ngầm; hạn chế khả năng hoạt động của dũng ngầm. Trờn cơ sở phõn tớch ưu nhược điểm của mỗi giải phỏp trong cỏc trường hợp xõy dựng cú đặc điểm khỏc nhau, luận ỏn đó kiến nghị đi sõu nghiờn cứu giải phỏp thứ 3 là “Nghiờn cứu giải phỏp hạn chế hoạt động của dũng thấm” bằng cỏc vật liệu phụ gia sẵn cú trờn địa bàn Nghi Sơn và cỏc vựng phụ cận để giảm hệ số
thấm (giảm vận tốc thấm) tạo điều kiện bơm hỳt khụ hố múng và do đú hạn chế hiện tượng cỏt chảy dưới nền múng cụng trỡnh và thi cụng múng cầu, cống, nền đường, tường chắn... thuận lợi.
- Luận ỏn đó nghiờn cứu thiết kế chế tạo bộ thớ nghiệm đo thấm phức hợp (complex equipment for permeable measurement, CEPM) với nhiều ống thớ nghiệm, cú khả năng thỏo lắp linh hoạt, được lắp đặt trong phũng thớ nghiệm; nhờ đú cựng lỳc cú thể thớ nghiệm thấm cho nhiều vật liệu phụ gia, hoặc một vật liệu phụ gia với nhiều loại hàm lượng (tỷ lệ) và hàm lượng nước khỏc nhau trong cựng một điều kiện thớ nghiệm về đặc điểm của cỏt chảy (nội dung nghiờn cứu này được giới thiệu ở chương 2);
- Bằng thiết bị đo thấm phức hợp (CEPM), luận ỏn đó tiến hành thớ nghiệm xỏc định hệ số thấm của cỏt chảy khi cho thấm nhập cỏc tổ hợp vật liệu phụ gia khỏc nhau: bột sột, xi măng, bentonite, thủy tinh lỏng và cỏc tổ hợp của chỳng; Đồng thời thay đổi tỷ lệ hàm lượng cỏc vật liệu phụ gia thành phần; từ đú phõn tớch xỏc định được 6 tổ hợp vật liệu phụ gia hợp lý chống cỏt chảy (cho hệ số thấm của cỏt chảy nhỏ nhất) kết quả được giới thiệu ở chương 3.
- Đó tiến hành thực nghiệm xỏc định hệ số thấm tại hiện trường trong điều kiện thực tế để kiểm chứng với kết quả thớ nghiệm trong phũng khi sử dụng bộ thiết bị CEPM; kết quả thực nghiệm hiện trường cho thấy sai khỏc giữa kết quả thớ nghiệm trong phũng so với thực nghiệm hiện trường xấp xỉ 7%, từ đú cho thấy: thực nghiệm trong phũng bằng bộ thiết bị CEPM cho kết quả cú đụ tin cậy chấp nhận được.
- Luận ỏn đó đề xuất giải phỏp định hướng chống cỏt chảy bằng hào chặn dũng ngầm sử dụng cỏc tổ hợp vật liệu phụ gia hợp lý chống cỏt chảy trong xõy dựng cụng trỡnh đường ụ tụ; làm cơ sở cho những nghiờn cứu tiếp tục và triển khai ỏp dụng vào thực tế…
- Luận ỏn đó phõn tớch hiệu quả kinh tế cỏc giải phỏp tổ hợp vật liệu phụ gia chống cỏt chảy khỏc nhau và khuyến nghị định hướng ỏp dụng vào thực tế. Tựy thuộc điều kiện cung cấp, đơn giỏ vật tư, địa điểm xõy dựng, điều kiện địa chất thủy văn tại khu vực cụng trỡnh; cần luận chứng kinh tế - kỹ thuật lựa chọn giải phỏp hợp lý, khi đú thứ tự ưu tiờn lựa chọn tổ hợp vật liệu phụ gia cú thể thay đổi.
3.Định hướng nghiờn cứu phỏt triển của luận ỏn
Nghiờn cứu chống cỏt chảy là một nội dung rộng lớn, phức tạp và thực sự khú khăn, tốn kộm; trong điều kiện hạn chế, những kết quả luận ỏn đạt được mới chỉ là những đúng gúp bước đầu nhằm gúp phần giải quyết một vấn đề khoa học – thực tiễn cú ý nghĩa đặc biệt cấp thiết trong sự nghiệp xõy dựng phỏt triển hạ tầng giao thụng vận tải hiện đại, đồng bộ, bền vững.
Để phỏt triển, trong tương lai cần nghiờn cứu cụng nghệ thi cụng hào