Xem mẫu
- TẠP CHÍ KINH TẾ - CÔNG NGHIỆP Số 28 – Tháng 07/2021
NGHIÊN CỨU GIẢI PHÁP XỬ LÝ NỀN BẰNG TRỤ ĐẤT XI MĂNG
CHO CÔNG TRÌNH BỂ CHỨA XĂNG DẦU Ở TỈNH TIỀN GIANG
Research on solutions for treating cement deep mixing piles ground in oil
and petroleum storage tanks construction in Tien Giang province
1
Thiệu Ngọc Hồ
1
Trường Đại học Kinh tế Công nghiệp Long An, Long An, Việt Nam
thieungocho@gmail.com
Tóm tắt — Giải pháp gia cố nền đất sử dụng công nghệ trụ đất xi măng đáp ứng được hầu hết các
yêu cầu về mặt kinh tế và kỹ thuật. Trong nghiên cứu này, tác giả sử dụng mô hình số (Plaxis 2D) để mô
phỏng sự phân bố ứng suất, biến dạng trong nền đất yếu vào công trình bể chứa xăng dầu đươc gia cố nền
bằng trụ đất xi măng tại phường 6, thành phố Mỹ Tho, tỉnh Tiền Giang.
Abstract — The solution to reinforce the ground using cement ground technology meets most of the
economic and technical requirements. In this research, the author using a numerical model (Plaxis 2D) to
simulate the distribution of stress and deformation in soft ground into petroleum storage tanks reinforced
with concrete pillars in ward 6, My Tho city, Tien Giang province.
Từ khóa — Bể chứa, trụ đất xi măng, đất yếu, Plaxis 2D, tank, cement deep mixing pile, weak soil
ground.
1. Giới thiệu
Bể chứa bắt đầu xuất hiện ở Việt Nam vào đầu thế kỷ 20 với mục đích chủ yếu nhằm phục
vụ cho công cuộc khai phá thuộc địa của Pháp. Sau khi đất nước độc lập, cùng với sự phát triển
của đất nước nhu cầu sử dụng bể chứa cũng tăng theo. Tùy vào công năng của từng bể, mục
đích sử dụng cũng như yêu cầu về kinh tế, thi công người ta có nhiều loại hình bể thích hợp.
Trong phạm vi nghiên cứu này, tác giả chỉ tập trung nghiên cứu một loại bể chứa được sử dụng
phổ biến trong các kho xăng dầu hiện nay, đó là bể chứa trụ đứng áp lực thấp.
2. Vật liệu và phương pháp nghiên cứu
Công trình bể chứa xăng dầu được đưa vào nghiên cứu nhằm giải quyết bài toán gia cố nền
là bể chứa xăng dầu 5000 m3 thuộc Kho Bình Đức (khu phố 3, phường 6, TP. Mỹ Tho) của
Công ty Xăng dầu Tiền Giang (Petrolimex Tiền Giang).
Trong phạm vi nghiên cứu, tác giả không đi sâu vào vấn đề tính toán thiết kế bể chứa mà
chỉ trình bày giải pháp gia cố nền bằng trụ đất xi măng cho công trình bể chứa thông qua phần
mềm Plaxis 2D để kiểm tra ổn định và biến dạng trong nền đất yếu.
2.1. Phương pháp nghiên cứu
2.1.1. Phương pháp xử lý nền cho bể chứa:
Bể chứa xăng dầu thường có đường kính lớn (D = 20; 30; 40; 50 m), chiều cao không lớn
(H = 10; 12 m) và xăng dầu chứa trong đó có trọng lượng thể tích nhỏ (thường nhỏ hơn 0,95
tấn/m3) nên áp lực lên nền không lớn, nhưng do đường kính bể lớn nên ứng suất gây lún phát
triển khá sâu, vùng chịu nén lún lớn. Vì vậy, tùy theo điều kiện địa chất của từng vùng và chiều
dày của lớp đất yếu mà áp dụng thích hợp các phương pháp xử lý nền. Các phương pháp xử lý
nền đất yếu thường được sử dụng cho công trình bể chứa như phương pháp cọc cát, đệm cát,
giếng cát, bấc thấm, trụ đất xi măng,...
Các phương pháp xử lý nền đất yếu trên đều có tác dụng tăng tính ổn định và giảm độ lún
của nền đất, được áp dụng trong từng trường hợp xử lý cụ thể. Tuy nhiên, khi đất yếu khó thấm
15
- TẠP CHÍ KINH TẾ - CÔNG NGHIỆP Số 28 – Tháng 07/2021
nước như sét mềm yếu, bùn sét,... (đặc trưng đất ở đồng bằng sông Cửu Long nói chung và tỉnh
Tiền Giang nói riêng) thì trong những trường hợp nhất định nào đó, phương pháp xử lý nền đất
yếu bằng trụ đất xi măng được cho là có hiệu quả về kinh tế và kỹ thuật hơn các phương pháp
xử lý nền đất yếu khác, bởi vì hệ số thấm của đất sét gia cố có thể tăng từ 400 – 800 lần so với
đất sét chưa được gia cố. Với đặc tính về loại công trình, đặc điểm về vị trí đặt công trình (khu
vực ven sông, ven biển) để gia cố nền đất yếu dưới công trình bể chứa, tác giả cho rằng sử dụng
phương pháp xử lý nền đất yếu bằng trụ đất xi măng hoàn toàn phù hợp và khả thi. Trong phạm
vi nghiên cứu, tác giả sẽ tập trung vào giải pháp xử lý nền đất yếu bằng trụ đất xi măng cho
công trình bể chứa trụ đứng áp lực thấp.
2.1.2. Công nghệ gia cố nền đất yếu bằng trụ đất xi măng:
Trụ đất xi măng là phương pháp dùng để cải tạo đất. Mục đích của phương pháp này là cải
thiện các đặc trưng của đất như tăng cường độ kháng cắt, giảm tính nén lún bằng cách trộn đất
nền với xi măng (vữa xi măng) để chúng tương tác với đất. Sự đổi mới tốt hơn nhờ thay đổi ion
tại bề mặt các hạt sét, gắn kết các hạt đất và lấp các lỗ rỗng bởi các sản phẩm của phản ứng hóa
học. Trộn sâu phân loại theo chất kết dính (xi măng, vôi, thạch cao,…) và phương pháp trộn
(khô/ướt, quay/phun tia, guồng xoắn hoặc lưỡi cắt) và vị trí các lưỡi trộn.
Trụ đất xi măng là cọc hình trụ được tạo ra bằng phương pháp trộn sâu, là hỗn hợp giữa
đất nguyên trạng nơi gia cố và xi măng được phun xuống nền đất bởi thiết bị khoan phun. Trong
phương pháp trộn sâu, mũi khoan được khoan xuống làm tơi đất cho đến khi đạt độ sâu lớp đất
cần gia cố thì quay ngược lại và di chuyển lên, trong quá trình dịch chuyển lên, xi măng được
phun vào nền đất, các phần tử đất xung quanh lỗ khoan bị xới tơi ra và hòa trộn với vữa, sau
khi đông cứng tạo thành một khối đồng nhất xi măng đất, kết quả của sự trộn chất kết dính và
đất tạo ra một vật liệu có cường độ và độ cứng lớn hơn đất tự nhiên.
Phương pháp xử lý nền đất yếu bằng trụ đất xi măng với khả năng ứng dụng tương đối rộng
rãi như: Làm tường hào chống thấm cho đê đập, gia cố nền móng cho các công trình xây dựng,
ổn định tường chắn, chống trượt mái dốc, gia cố đất yếu xung quanh đường hầm, gia cố nền
đường, mố cầu dẫn,... Việc sử dụng phương pháp công nghệ cải tạo các tính chất cơ học của
các loại đất yếu bằng cách trộn khô hay trộn ướt chúng với xi măng để tạo ra các trụ đất xi măng
nhằm tạo cho nền đất gia cố có cường độ cao và ổn định lâu dài dưới tác dụng của tải trọng của
công trình và các yếu tố tác động khác (nắng, mưa, nhiệt độ,…).
2.1.3. Nghiên cứu lựa chọn mô hình tính toán hợp lý cho trụ đất xi măng:
Việc tính toán sức chịu tải và biến dạng của nền đất yếu được gia cố bằng trụ đất xi măng
có thể được thực hiện theo các quan điểm khác nhau như: Có quan điểm kiến nghị tính toán trụ
đất xi măng như đối với cọc cứng; Có quan điểm xem trụ và đất làm việc đồng thời, cường độ
của nền hỗn hợp này là tổ hợp cường độ của cọc đất trộn xi măng và đất quanh cọc; Một số lại
đề nghị tính toán theo cả hai quan điểm trên, nghĩa là sức chịu tải thì tính toán như cọc, còn
biến dạng thì tính toán theo nền.
Bên cạnh các phương pháp tính theo quy trình, hiện nay với sự phát triển của công cụ máy
tính và các phần mềm viết bằng phương pháp phần tử hữu hạn. Phương pháp phần tử hữu hạn
đã được sử dụng để xây dựng rất nhiều chương trình tính toán kỹ thuật liên quan đến lĩnh vực
xây dựng công trình nói chung và các công trình giao thông nói riêng. Cơ sở của phương pháp
này là làm rời rạc hóa các miền liên tục phức tạp, các miền liên tục được chia thành nhiều miền
con (phần tử), các miền này được liên kết với nhau tại các điểm nút. Trên miền con này, dạng
biến phân tương đương với bài toán được giải xấp xỉ dựa trên các hàm xấp xỉ trên từng phần tử,
thỏa mãn điều kiện biên cùng với sự cân bằng và liên tục giữa các phần tử. Phương pháp phần
tử hữu hạn đã được sử dụng khá phổ biến trong địa kỹ thuật nói riêng và cơ học nói chung để
xác định trường ứng suất và biến dạng của kết cấu. Hiện nay, các phần mềm thương mại sử
dụng cơ sở lý thuyết phương pháp phần tử hữu hạn để giải bài toán địa kỹ thuật đã có bước phát
16
- TẠP CHÍ KINH TẾ - CÔNG NGHIỆP Số 28 – Tháng 07/2021
triển vượt bậc, được sử dụng hiệu quả và rộng rãi trên khắp thế giới như: PLAXIS, GEOSLOP,
LAGAPROGS,... Trong phạm vi nghiên cứu này, tác giả ứng dụng phần mềm Plaxis 2D để giải
bài toán gia cố nền đất yếu bằng trụ đất xi măng cho bể chứa xăng dầu.
2.2. Phương án bố trí trụ đất xi măng
Tác giả sẽ chọn các phương án mô phỏng thay đổi chiều dài, khoảng cách trụ và đường
kính của trụ đất xi măng. Từ các kết quả phân tích, tác giả so sánh lựa chọn phương án hợp lý
gia cố nền cho bể chứa xăng dầu, các phương án như sau:
Bảng 1. Các trường hợp mô phỏng với L = 8 m
Khoảng cách tính từ
Các trường hợp Chiều dài Đường kính
tim giữa các trụ S
mô phỏng L (m) D (m)
(m)
Trường hợp 1 - A 0,8
Trường hợp 2 - A 0,6 1,0
Trường hợp 3 - A 1,2
Trường hợp 4 - A 1,0
Trường hợp 5 - A 8 0,8 1,2
Trường hợp 6 - A 1,4
Trường hợp 7 - A 1,2
Trường hợp 8 - A 1,0 1,4
Trường hợp 9 - A 1,6
Nguồn: Tổng hợp của tác giả.
Bảng 2. Các trường hợp mô phỏng với L = 12 m
Khoảng cách tính từ
Các trường hợp Chiều dài Đường kính
tim giữa các trụ S
mô phỏng L (m) D (m)
(m)
Trường hợp 1 - B 0,8
Trường hợp 2 - B 0,6 1,0
Trường hợp 3 - B 1,2
Trường hợp 4 - B 1,0
Trường hợp 5 - B 12 0,8 1,2
Trường hợp 6 - B 1,4
Trường hợp 7 - B 1,2
Trường hợp 8 - B 1,0 1,4
Trường hợp 9 - B 1,6
Nguồn: Tổng hợp của tác giả.
Tổng cộng có 18 mô hình được phân tích mô phỏng:
Để tăng khả năng tiêu thoát nước trên mặt, cần phủ trên đầu trụ đất xi măng một lớp cát
hạt trung dày tối thiểu 0,5 m sau khi thi công trụ, đồng thời sử dụng lớp đệm cát hạt trung này
như lớp vật liệu chèn đầu trụ có sức chịu tải lớn. Tác giả chọn bố trí trụ đất xi măng với hai
phương án dạng lưới ô vuông với đường kính (D) như nhau và thay đổi khoảng cách giữa các
trụ (S).
Do không có số liệu khảo sát bờ sông về độ dốc, tình hình xói lở bờ nên tạm bỏ qua ảnh
hưởng của xói lở bờ đến phạm vi an toàn của công trình. Với công trình xây dựng ven sông,
hành lang an toàn tối thiểu là 50 m.
Do quá trình xáo trộn khi thi công trụ, chiều sâu trụ ngàm trong lớp đất tốt không bé hơn 2
m để đảm bảo sức chịu tải dưới mũi trụ.
2.3. Mô hình tính toàn nền đất yếu được xử lý bằng trụ đất xi măng
Trụ đất xi măng có đường kính và khoảng cách được bố trí theo các phương án ở bảng 1
và bảng 2.
17
- TẠP CHÍ KINH TẾ - CÔNG NGHIỆP Số 28 – Tháng 07/2021
Hình 1 và hình 2 cho biết nửa nền bể chứa xăng dầu được cải tạo gia cố, khoảng cách theo
phương ngang là 50 m, khoảng cách theo phương đứng là 17,5 m các kích thước giá trị tính
toán theo phương ngang phạm vi bể chứa (D/2) rộng 12,7 m chịu tải phân bố đều 118,4 (KN/m2),
phạm vi gia cố ngoài bể chứa (1,25D/2) từ 12,7 đến 15,9 chịu tải phân bố đều 7,47 (KN/m2).
Hình 1. Mặt cắt ngang điển hình xử lý nền đất yếu bằng trụ đất xi măng tương ứng ở bảng 1
Hình 2. Mặt cắt ngang điển hình xử lý nền đất yếu bằng trụ đất xi măng tương ứng ở bảng 2
2.4. Các thông số và mô hình vật liệu
Bảng 3. Đặc trưng cơ lý của các lớp đất và thông số trụ đất xi măng
S Lớp
Ký Trụ đất
T Tham số Lớp cát Lớp 1 Lớp 2 Lớp 3
hiệu xi măng
T đầm chặt
Mode Mohr - Mohr - Mohr - Mohr – Mohr -
1 Mô hình l Coulomb Coulomb Coulomb Coulomb Coulomb
2 Ứng xử vật liệu Type Drained Un-drained Un-drained Un-drained Undrained
Dung trọng tự
3 unsat 18,00 18,67 19,29 18,98 11,15
nhiên (kN/m3)
Dung trọng bão
4 sat 20,00 19,20 19,95 19,54 18,40
hòa (kN/m3)
Hệ số thấm
5 kx 10-3 10-6 10-6 10-6 10-7
phương x (m/day)
Hệ số thấm
6 ky 10-3 10-6 10-6 10-6 10-7
phương y (m/day)
Mô đun Young, E
7 E 20000 1677 3436 2318 100000
(kN/m2)
18
- TẠP CHÍ KINH TẾ - CÔNG NGHIỆP Số 28 – Tháng 07/2021
Hệ số Poisson
8 0,330 0,333 0,305 0,333 0,333
(-)
Cường độ kháng
9 cref 10,00 16,25 16,85 22,41 175
cắt (kN/m2)
Góc ma sát trong
10 250 11022’ 14058’ 15029’ 300
(0)
11 Góc dãn nở (0) 00 00 00 00 00
Nguồn: Tổng hợp của tác giả.
Vải địa kỹ thuật được mô phỏng bởi phần tử Geogrid có EA = (2500 kN/m2) và được bố
trí 01 lớp phía trên đầu trụ.
3. Kết quả tính toán và thảo luận
Bảng 4. Các giai đoạn tính toán
Thời
Phase Công tác Cal. type Loading input
gian
Ban đầu N/A N/A N/A 0 ngày
Staged construction
Phase 1 Đào lớp đất mặt Plastic 5 ngày
Kích chọn lớp 1
Staged construction
Phase 2 Thi công trụ đất xi măng Plastic 10 ngày
Kích chọn trụ đất xi măng
Staged construction
Phase 3 Thi công trải vải Địa kỹ thuật Plastic 5 ngày
Kích vải ĐKT
Staged construction
Phase 4 Thi công lớp cát đệm Plastic 5 ngày
Kích chọn lớp 1
Phase 5 Thi công lớp bê tông nhựa Plastic Incremental multipliers 5 ngày
Staged construction
Phase 6 Đặt tải bồn dầu Plastic 10 ngày
Kích tải
Phi/c
Phase 7 Tính ổn định Incremental multipliers 0 ngày
reduction
40
Tổng cộng
ngày
Nguồn: Tổng hợp của tác giả.
Hình 3. Chuyển vị theo phương đứng của nền đất yếu được gia cố: (a): L= 8 m; (b): L= 12 m
(a) (b)
Tính toán độ lún của nền bể chứa xăng dầu sau khi cải tạo bằng trụ đất xi măng bằng phần
mềm Plaxis. Tổng độ lún gồm độ lún của nền đất đã được cải tạo và nền đất phía dưới vùng cải
tạo của trụ đất xi măng có đường kính 0,6 m, khoảng cách 1,2 m, chiều dài 8 m với độ lún bằng
0,226 m và hệ số ổn định 5,605. Độ lún này nhỏ hơn độ lún giới hạn cho phép.
Căn cứ vào tỷ số diện tích cải tạo thấp (as = 0,196) và độ lún nhỏ hơn giới hạn cho phép (<
0,4 m – TCVN 10304:2014), thiết kế hợp lý của trụ đất xi măng trong trường hợp này là trường
hợp 3 - A (D = 0,6 m; S = 1,2 m; L = 8 m).
19
- TẠP CHÍ KINH TẾ - CÔNG NGHIỆP Số 28 – Tháng 07/2021
Hình 4. Chuyển vị của nền đất yếu được gia cố trường hợp 3 - A (D = 0,6 m; S = 1,2 m; L = 8 m)
4. Kết luận
Trụ đất xi măng được ứng dụng hiệu quả để xử lý nền đất yếu cho công trình bể chứa xăng
dầu cũng như các công trình có thời gian thi công ngắn, độ lún nhỏ, đất cố kết nhanh. Kết quả
tính toán của tác giả giúp lập phương án thiết kế phù hợp.
Có nhiều giải pháp xử lý nền đất yếu cho công trình bể chứa, mỗi giải pháp đều có ưu và
nhược điểm, việc áp dụng giải pháp nào còn tùy thuộc vào địa chất và tải trọng của công trình.
Đối với địa chất ở đồng bằng sông Cửu Long nói chung và tỉnh Tiền Giang nói riêng theo
nghiên cứu của tác giả thì giải pháp gia cố nền đất yếu bằng trụ đất xi măng kết hợp với vải địa
kỹ thuật đạt hiệu quả.
TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1] Lareal Nguyễn Thành Long, Lê Bá Lương, Nguyễn Quang Chiêu và Vũ Đức Lực (2005). Công
trình trên đất yếu trong điều kiện Việt Nam. Trường Đại học Bách khoa TPHCM.
[2] Đậu Văn Ngọ (2008). Giải pháp xử lý đất yếu bằng đất trộn xi măng. Tạp chí Phát triển Khoa học
và Công nghệ, tập 11, số 11-2008, trang 57-63.
[3] TCVN 9403:2012 (2012). Gia cố nền đất yếu – Phương pháp trụ đất xi măng. Viện Khoa học Công
nghệ Xây dựng, Vụ Khoa học Công nghệ.
[4] Trần Nhật Tiến (2008). Kỹ thuật đường ống và bể chứa. NXB Đà Nẵng.
[5] Nguyễn Viết Trung và Vũ Minh Tuấn (2010). Cọc xi măng đất – Phương pháp gia cố nền đất yếu.
NXB Xây dựng.
[6] Coastal Development Institute of Technology (2002). The Deep Mixing Method, Principle. Design
and Construction, Japan.
[7] Kawasaki, T., Niina, A., Saitoh, S., Suzuki, Y. & Honjyo, Y. (1981). Deep Mixing Method Using
Cement Hardening Agen. Proceedings of the 10th Internationl Conference on Soil Mechanics and
Foundation Engineering. Stockholm: pp 721-724.
[8] Terashi, M. & Tanaka, H (1983). Settlement Analysis for Deep Mixing Method. Proceedings of
the 8th Conference of Soil Mechanics and Foudations Engineering. Vol. 2: 955-960.
Ngày nhận: 29/03/2021
Ngày duyệt đăng: 12/06/2021
20
nguon tai.lieu . vn
