Cố kết động và thay thế động cho móng bồn chứa dầu cỡ lớn

Cố kết động và thay thế động cho móng bồn chứa dầu cỡ lớn
S.

Varaksin,

R.

Ong,

K.

Yee

&

L.

T.

Wong
*
Menard

Soltraitement,
2 Rue Gutenberg BP 28.91620 No2ay.
France
Menard

Geosystems, Malaysia
CÔNG NGHệ NềN MóNG
Dynamic Consolidation and Dynamic Replacement for Large Oil Tank Foundation

Abstract: Ground improvement techniques have been adopted as alternative solution to rigid
foundation of large oil tanks whenever the situation permits. This paper highlights the utilisation of
dynamic consolidation and dynamic replacement method to improve the subsoil for the
construction of two large oil tanks with diameter up to 69 m in Vietnam. In this project, dynamic
consolidation is used to treat the sandy deposit beneath a product tank up to depth of 8 m;
dynamic replacement combined with ring trench is adopted to treat compressible clayey silt up to
depth of 7 m to support a crude oil tank. The post treatment in-situ geotechnical tests performed as
acceptance tests confirmed both ground improvement methods adopted have successfully
increased the allowable bearing capacity of the subsoil up to 280 kPa and limit the maximum post
construction settlement to be less than 300 mm, which fulfil the performance criteria of the project.
1. GIớI THIệU
1.1. Cố kết động
Cố kết động (DC) là phơng pháp xử lý nền
cơ học làm tăng độ chặt của đất nền bằng cách
sử dụng ngoại lực tác dụng trong khoảng thời
gian ngắn (đầm chặt). Phơng pháp này thờng đ-
ợc sử dụng để làm chặt đất rời tự nhiên hoặc
đất đắp với hàm lợng hạt mịn (đờng kính hạt
nhỏ hơn 63 àm) không vợt quá 20 tới 35%. Kết
quả xử lý cho ta thấy, cờng độ của đất gia tăng
trong khi tính nén lún và độ lún của đất nền
giảm. Hơn nữa, cố kết động còn làm gia tăng
sức chịu tải khi chịu tải trọng tuần hoàn của đất
rời, do đó phơng pháp này còn đợc sử dụng nh
phơng pháp hữu hiệu để xử lý hạn chế khả
năng hóa lỏng của đất.
Kỹ thuật này đợc khởi xớng và phát triển
thành công bởi Louis Menard (ngời đã sáng
chế ra đồng hồ đo áp suất) cùng các cộng sự.
Trình tự làm chặt bao gồm nhiều bớc với

năng lợng tác dụng thay đổi theo khoảng thời
gian khác nhau và phụ thuộc vào vật liệu đợc
làm chặt, bề dày và độ chặt cố kết yêu cầu.
Với mỗi loại vật liệu không bão hòa, chấn
động gây tác dụng đầm chặt có thể dựa trên
phân tích kết quả thí nghiệm đầm chặt Proctor.
Với vật liệu bão hòa và ngập nớc, chấn động do
sóng gây ra đợc minh họa theo sơ đồ 1 nh sau:
Rất phức tạp với đất bão hòa hoặc đất không
thấm nớc, hai loại sóng đã đợc quan sát với mỗi
lần tác động
a) Sóng dạng khối;
b) Sóng theo bề mặt.
Sóng dạng khối đợc chia thành 2 dạng:
a) Sóng nén chặt hay sóng sơ cấp (P) đợc
truyền trong giai đoạn hóa lỏng tơng tự nh sóng
âm truyền trong không khí. Loại sóng này làm
tăng sau đó làm giảm áp lực nớc lỗ rỗng là kết
quả đầu tiên của quá trình sắp xếp lại các cốt
liệu.
b) Sóng cắt hay sóng thứ cấp (S) di chuyển
chậm hơn và có thể chỉ ra để truyền qua các
hạt cốt liệu và làm các hạt sắp xếp lại. Quá
trình sắp xếp lại các hạt cốt liệu làm đất chuyển
sang trạng thái chặt hơn.
Địa kỹ thuật số 2-2009
* Menard

Soltraitement,
2 Rue Gutenberg BP 28.91620

No2ay.
France
Menard

Geosystems, Malaysia
1
Hình 1. Sóng rung động trong quá trình đầm
rung - phần hình vẽ phía trên là của R.D.
Woods (1968).
Đối với trờng hợp sóng bề mặt, chuyển động
trợt xảy ra song song với bề mặt đất (mặt phẳng
trợt có thể song song hoặc vuông góc với hớng
dịch chuyển) gây ra tác động với đất tơng tự nh
sóng cắt.
Do độ mạnh chấn động tác dụng, sự ứng xử
của đất nền và khoảng cách tới điểm tác động,
làm xuất hiện sự tăng áp lực nớc lỗ rỗng thờng
xuyên do lực cắt. Giá trị áp lực nớc lỗ rỗng gia
tăng đợc theo công thức sau:
s
oct
và i
oct
xác định theo công thức:

oct
- ứng suất đẳng hớng trung bình;

oct
- ứng suất cắt trung bình;

Cs và Cv là các chỉ số nén lún;
n là độ lỗ rỗng;
D là hệ số nở.
Với đất bão hòa, Cv là rất nhỏ so với Cs và
phân tố trong ngoặc trở thành xác định. Giá trị
này có thể giảm xuống là 0,2 với độ bão hòa là
90%.
S
C
D
3
có thể thay đổi từ
3
4
+
đến
3
4

phụ
thuộc vào loại đất và cấu trúc ban đầu của đất.
Trong quá trình đầm rung, đất khá rời nh thế
S
C
D
3
và u đều có giá trị dơng.
Mỗi lần đầm làm tăng áp lực nớc lỗ rỗng và
khi đất đạt tới trạng thái hóa lỏng năng lợng bị
tiêu tán (hình 2). Giai đoạn cuối quan sát thấy

đất tăng cờng độ (hình 3).
Hình 2.
áp lực nớc lỗ rỗng gia tăng trong quá
trình đầm chặt
Sự tiêu hao áp lực nớc lỗ rỗng tới hạn quan
sát thấy nhanh hơn so với xác định bởi hệ số
thấm của đất hoặc với quá trình gia tải tĩnh. Đó
là do các khe nứt xuất hiện và phát triển theo
phơng hớng tâm từ vị trí tác dụng tạo đờng thoát
cho nớc lỗ rỗng. Quá trình hóa lỏng là đất tăng
tính thấm.
Khí ở dạng bọt bị nén trong quá trình đầm và
đóng vai trò là nguồn áp lực ép nớc ra khỏi đất
nền. Rất khó để định lợng hiện tợng trong quá
trình cố kết động.
Địa kỹ thuật số 2-2009
2
Sóng P
Tăng áp lực nước lỗ rỗng
làm sắp xếp lại các hạt
Sóng P
Cắt các hạt đất
Làm các hạt sắp xếp chặt hơn
áp lực, triệu bar
mức bão hòa
1. Năng lợng tác dụng với tm /m
2. Sự thay đổi thể tích theo thời gian
3. Tỷ số áp lực nớc lỗ rỗng với áp suất hóa
lỏng
4. Sự biến đổi sức chịu tải

5. ------ Đờng bao xử lý
Hình 3. Sự biến đổi các đặc tính của đất
với các giai đoạn cố kết động
Đầm chặt đất dính không bão hòa đã đợc ứng
dụng rộng rãi, trong khi đó xử lý đất dính bão hòa
mới chỉ đợc quan tâm về mặt lý thuyết.
L. Rendulic đã từng nghiên cứu cố kết 3
chiều hớng tâm.
R. Barron đã hoàn chỉnh công thức xét đến
ảnh hởng của việc cản trở thoát nớc. Hơn nữa,
những nghiên cứu áp dụng cho trờng hợp bề
mặt biến dạng tự do và biến dạng thẳng đứng
đồng nhất.
Với các giả thuyết của K. Terzaghi về cố kết,
nghiên cứu ảnh hởng chung của việc gia tăng
áp lực nớc lỗ rỗng có thể biểu diễn dới dạng giả
thiết của một nền đắp vô hạn đặt trên lớp sét có
tính nén lún mạnh trong khoảng thời gian t
1
.
Giả thiết đặt ra là áp lực nớc lỗ rỗng tạo ra
do các va chạm bằng với áp lực nớc lỗ rỗng tạo
ra bởi tải trọng nền đắp.
Quá trình cố kết này với khoảng thời gian t
f
,
trong đó
Công thức sau cho phép so sánh thời gian t-
ơng đơng của quá trình cố kết đạt đợc
t

f

có ảnh
hởng và
t
f

không bị ảnh hởng.
Do đó
t'
f
=
U
1
t
1

+ (1- U
1

) t
f
Bảng 1 cho phép ta so sánh đợc thời gian cố
kết đạt đợc tại các thời điểm có mức độ cố kết
khác nhau:
Bảng 1
U
1 10% 20% 30% 40% 50% 60% 70% 80% 90%
t
1

/t
f
0,009 0,037 0,083 0,148 0,231 0,337 0,474 0,669 1,00
t
1
/t
f
0,901 0,807 0,725 0,659 0,615 0,602 0,632 0,735 1,00
Nếu cố kết sơ cấp kết thúc
U = 0,9 hoặc T = 0,848 nếu du = U
1
Ds
ta có t'
f
=
U
1
t
1
+
(1- U
1

) t
f
Độ cố kết tối u diễn ra trong khoảng U1 = 60%.
Có thể kết luận về mặt lý thuyết, thời gian cố
kết có thể giảm tới 20 đến 50% đó là một mục
tiêu thực tế ít khi đạt đợc.
Tóm lại, sự va chạm có tác dụng là giảm thời

gian cố kết tới 20 đến 50% phụ thuộc vào mức
độ cố kết đạt đợc dới tác dụng của tải trọng nền
đắp và giảm đợc số lợng các công trình thoát n-
ớc thẳng đứng mà vẫn tăng nhanh đợc tốc độ
cố kết.
Một số quan trắc hiện tợng này đã đợc tiến
hành tại hiện trờng ở Jurong, bồn dầu Moblil
hay bể chứa nớc thải nhà máy Palm Jumeirah.
Đó gọi là gia tải động.
Phơng pháp hiệu quả nữa cải tạo nền đất sét
Địa kỹ thuật số 2-2009
3
Sức chịu
tải, bar
Độ hóa lỏng, %
d
u
t'
f
dẻo chảy đến chảy sử dụng vật liệu cát hoặc
cuội sỏi dới tác dụng của tải trọng động đợc mô
tả sau đây.
Hình 4. 350 tấn.mét và 500 tấn.mét
Kỹ thuật, thiết bị cũng là yếu tố lớn cho việc
xử lý. Menard đã phát triển thiết bị đặc biệt thể
xử lý tới độ sâu lớn.
S. Varaksin đã đề xuất điều chỉnh các quy
định chung trong của hãng Menard với độ sâu
xử lý (h, mét) có quan hệ tuyến tính với căn bậc
2 của năng lợng búa đầm (tấn.mét).

Với công thức:
h
=
C

E
(E đơn vị là
tấn.mét)
Trong đó: C
phụ thuộc vào tính năng của
thiết bị đầm;
C = 1, Rơi tự do;
C = 0,8 thả bằng cáp tời cơ học;
C = 0,65 thả bằng cáp tời thủy lực;

phụ thuộc vào đất nền, nớc dới đất

= 1,0 với các lớp đắp mới rất ổn định

= 0,5 với đất cố kết thờng.
Hình 5. Thiết bị
Thiết bị thông thờng nằm trong các khoảng
sau:
- 350 txm năng lợng/búa (cẩu dây 120 tấn )
(Hình. 4);
- 500 txm năng lợng/búa (cẩu dây đôi 120
tấn) (Hình. 4);
- 700 txm năng lợng/búa (700 txm thiết bị
đặc biệt) (Hình. 5);
- 850 txm năng lợng/búa (hệ thống Mars)

(Hình. 5);
- 1600 txm năng lợng/búa (tháp 3 chân) (Hình. 6);
- 4000 txm năng lợng/búa (máy Mega ) (Hình. 7).
Hình 6.

1600

txm
-
tháp 3 chân
Địa kỹ thuật số 2-2009
4
Hình 7. 4000 txm - thiết bị Mega
1.2. Thay thế động
Thay thế động (DR) thực chất là sự mở rộng kỹ
thuật cố kết. Nhng khác với cố kết động, thay thế
động đợc phát triển để xử lý đất yếu loại dính thậm
chí là đất than bùn. Kỹ thuật này bắt đầu với việc tạo
ra các hố bằng cách đầm nhẹ. Những hố này sẽ đ-
ợc lấp đầy bởi các vật liệu rời (ví dụ nh cấp phối, đá,
cuội sỏi, đá dăm tới kích thớc 300mm), những vật
liệu này sẽ đợc nén chặt dới tác dụng của tải trọng
động. Công tác đầm đợc lặp lại cho tới khi vật liệu
cho vào trong hố giảm dần. Về cơ bản, kết quả thu
đợc chủ yếu cho các cọc vật liệu rời có đờng kính
lớn. Các cọc này đợc gọi là cọc DR với đờng kính
khoảng 2.5-3m, chiều dài khoảng 5-7m. Quá trình
thay thế động đợc minh họa ở hình vẽ số 9.
Hình 8. Quá trình cố kết động
Thay thế động đòi hỏi tỷ lệ diện tích thay thế là

15 đến 30% với khoảng cách giữa các cọc thay
đổi trong khoảng 4.5 đến 7m. Cọc DR đờng kính
lớn tạo bởi phơng pháp thay thế động tạo ra sự
gia tăng sức chịu tải của đất nền dựa vào cả
những vật liệu rời trong đất yếu. Ngoài ra, dựa
vào hệ số thấm cao của vật liệu rời, áp lực nớc lỗ
rỗng phía dới và phía xung quanh tiêu tán một
cách nhanh chóng. Nh vậy, cọc DR có u điểm là
cọc chịu tải đồng thời là giếng thoát nớc với đơng
kính lớn.
Hình. 9. Quá trình thay thế động
1.4. Thông tin về công trình:
Cố kết động và thay thế động đợc lựa chọn để
xử lý nền cho bồn chứa dầu đờng kính lớn cho
công trình nhà máy lọc dầu ở Nam Trung Bộ Việt
Nam. Công tác xử lý nền cho bồn thép đợc tiến
hành dựa trên cơ sở nguyên tắc chìa khóa trao
tay. Diện tích xây dựng đợc chia thành 2 khu vực
chính: Khu vực chứa dầu thơng phẩm và khu vực
chứa dầu thô. Khu vực chứa dầu thơng phẩm bao
gồm 17 bồn chứa với đờng kính lớn nhất lên tới
56m trong khi đó khu vực chứa dầu thô bao gồm
7 bồn chứa với đờng kính lên tới 69m. Chiều cao
lớn nhất của bồn là 22.7m.
Cố kết động đợc sử dụng để xử lý lớp đất nền
phía dới với thành phần chủ yếu là cát ở trạng
thái xốp đến chặt vừa. Thay thế động đợc lựa
chọn để xử lý lớp đất nền phía dới các bồn chứa
dầu thô với các lớp sét bụi yếu với bề dày lên tới
9m, phía dới là đá bazan. Báo cáo này làm nổi

bật giải pháp xử lý nền bằng cố kết động và thay
thế động cho bồn chứa dầu thô và dầu thơng
phẩm (mỗi loại 1 bồn).
(Xem tiếp số sau)
Địa kỹ thuật số 2-2009
5
1-Tạo hố
2- lấp hố bằng vật liệu rời
3- tiếp tục đầm cọc cát
4 lấp hố bằng vật liệu rời
Lặp bớc 3 và 4 đến khi cọc thay thế đạt tới chiều sâu
thiết kế