PHÂN TÍCH ỨNG DỤNG PHƯƠNG PHÁP ĐẦM RUNG SÂU ĐỂ GIA CƯỜNG NỀN ĐẤT CHO MÓNG CỦA TRỤ ĐIỆN GIÓ TẠI TỈNH QUẢNG BÌNH

(1)

PHÂN TÍCH ỨNG DỤNG PHƯƠNG PHÁP ĐẦM RUNG SÂU ĐỂ GIA CƯỜNG NỀN ĐẤT CHO MÓNG CỦA TRỤ ĐIỆN GIÓ

TẠI TỈNH QUẢNG BÌNH

NGUYỄN NGỌC THANH^*

Analyse of vibro compaction methods for soils improuvement for the foundation of wind farm in Quang Binh province

Abstract: The article focuses on introducing some researches into the application of deep vibrating compaction technology in strengthening and treating the ground under the foundation of wind farm in geological conditions in Quang Binh.

Keyword: Vibro compaction; soil improvement; wind farm foundations.

1. ĐẶT VẤN ĐỀ ^*

Với yêu cầu về phát triển hạ tầng kỹ thuật và đảm bảo an ninh năng lượng thì hiện nay các công trình như các nhà máy thủy điện, nhiệt điện, điện gió, điện năng lượng mặt trời đã và đang được triển khai nhiều ở nhiều tỉnh thành.

Vì vậy, việc nghiên cứu và tìm ra những giải pháp xử lý nền móng vừa đảm bảo an toàn, thời gian thi công nhanh nhưng lại phải có hiệu quả kinh tế luôn được nhiều tác giả trong và ngoài nước quan tâm. Một trong những giải pháp hữu hiệu đáp ứng được các tiêu chí đó và được các kỹ sư địa kỹ thuật đánh giá cao là giải pháp đầm rung sâu, đây được xem là một phương pháp gia cố nền rất linh hoạt, cho phép nâng cao sức chịu tải của nền, tăng ổn định và giảm lún đáng kể, do đó có thể điều chỉnh để phù hợp với rất nhiều yêu cầu về điều kiện địa chất và nền móng. Bản chất của công nghệ này đó là việc sử dụng thiết bị đầm rung sâu để xử lý nền đất bằng cách thay thế đưa đá dăm cấp phối hoặc sỏi cuội vào nền đất yếu cần xử lý (có thể đưa từ đỉnh hoặc đưa từ đáy thiết bị đầm và lèn chặt nhờ các thiết bị rung và tạo áp lực để đá dăm hay cuội sỏi cùng với đất nền tạo thành trụ đá, cuội sỏi đầm

* Khoa Xây Dựng - Đại Học Kiến Trúc Hà Nội

Km 10, Đường Nguyễn Trãi, Quận Thanh Xuân, TP Hà Nội, Việt Nam

chặt), hoặc không thay thế bằng cách ấn thiết bị đầm rung xuống và làm chặt nền. Dưới tác dụng của quá trình thi công, đất ở xung quanh trụ sẽ cũng bị ép chặt lại và làm tăng mật độ giữa các hạt đất, tăng sức kháng cắt của đất, tăng sức chịu tải của đất, tăng nhanh tốc độ cố kết của đất, tăng mô đun biến dạng của đất giảm lún.

Tùy theo yêu cầu thiết kế, đường kính của trụ đá/ trụ vật liệu rời thường từ 0,6m đến 1,2m, khoảng cách giữa các trụ từ 1,0m đến 3,0m.

Chiều sâu của trụ tùy thuộc vào thiết kế và đất nền hiện hữu chiều sâu xử lý của trụ đá có thể đến chiều sâu 30m.

Hình 1: Phạm vi ứng dụng của công nghệ đầm rung sâu

2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT TÍNH TOÁN THIẾT KẾ KHI SỬ DỤNG CÔNG NGHỆ ĐẦM RUNG SÂU

Việc tính toán và gia cố nền đất bằng phương

(2)

pháp đầm rung sâu là một công việc rất phức tạp và yêu cầu độ chính xác cao. Các lý thuyết thiết kế tính toán và kiểm tra hiện nay chủ yếu dựa vào các công thức lý thuyết, các biểu thức thực nghiệm hoặc bán thực nghiệm được giới thiệu bởi nhiều tác giả như Priebe (1995), Dhouib và Blondeau (2005)...mà chưa có tiêu chuẩn tính toán thiết kế áp dụng cụ thể. Nhìn chung ta có thể sử dụng một số phương pháp chính sau: tính ứng suất lên trụ và ứng suất trên đất nền xung quanh trụ, ta có thể sử dụng phương pháp phần tử đơn vị khi một trụ vật liệu rời và vùng ảnh hưởng tương đương có đường kính để được xem là một phần tử đơn vị mà mỗi phần tử đơn vị có diện tích bằng với diện tích thực của miền đại diện. Phần tử đơn vị khi đó có thể được xem như là khối đất tương đương hình trụ tròn được bao bọc bởi tường không ma sát (theo Barksdale

& Bachus, 1983). Ta cũng có thể dùng phương pháp áp lực bị động: tải trọng từ móng đơn được giả định tập trung vào trụ đá là thành phần có độ cứng lớn hơn. Trụ đá bị nở ngang và vượt ứng suất ngang của đất nền được chống lại bởi áp lực bị động.

Dựa vào quan hệ giữa lực dính không thoát nước và áp lực tới hạn Greenwood (1970) và Thorburn (1975) đề xuất bảng tính để xác định kích thước thực nghiệm, cho phép lựa chọn dường kính của trụ đá, tăng khả năng chịu tải và đầm nén của đất nền theo sức kháng cắt không thoát nước của đất xung quanh trụ.

Hình 2: Lựa chọn đường kính trụ đá (Dhouib et Blondeau, 2005)

Theo Dhouib et Blondeau (2005) thì độ dài của trụ đá thường đạt 10-30 m cho đất nền khu vực ven biển và cửa sông, và chúng có chiều dài trung bình từ 8 đến 10 m và tối đa là 20 m với các loại đất nền yếu thông thường. Khoảng cách giữa các trụ đá trung bình thường là 1 đến 3 m và đường kính của trụ từ 0,6m đến 1,5 m. Ta có thể xác tính toán trụ đá theo Priebe (1995) với việc xác định hệ số gia cố nền đất n0 dựa vào diện tích trụ đá, diện tích phần tử đơn vị và áp lực đất chủ động như Hình 3. Không những thế Priebe (1995) còn đưa ra các bảng tra kể tới sự nén lún của bản thân trụ đá, trọng lượng bản thân trụ đá.

Hình 3: Bảng tra hệ số cải thiện nền đất no

của Priebe

Ngày nay việc tính toán thiết kế trụ vật liệu hạt rời, thi công theo công nghệ đầm rung sâu hoàn toàn có thể sử dụng phương pháp mô hình hóa 2D hoặc 3D với các thông số chính của vật liệu trụ vật liệu như:

+ Tỉ số độ cứng của trụ vật liệu hạt rời và đất ( ) thường từ 10 tới 300 (giá trị thông thường từ 20 đến 40). Trong phần lớn các trường hợp mô đun biến dạng của trụ vật liệu hạt rời đầm chặt thường từ 60 tới 100 mPa;

+ Hệ số Poát xông của trụ vật liệu hạt rời đầm chặt ( .) nhận giá trị từ 0,15 tới 0,33;

+ Góc ma sát trong của trụ vật liệu hạt rời đầm chặt ( .) thường từ 30- 46 độ;

+ Góc trương nở ( ) thường xác định bằng biểu thức ( . = . – 30);

(3)

+ Lực dính ( .) thường rất nhỏ và lấy bằng 0.

Để kể tới ảnh hưởng của quá trình thi công trụ, người ta có thể mô hình bằng cách mô hình trụ đá bình thường sau đó làm tăng bán kính trụ,

hoặc chúng ta có thể tăng ứng suất trong đất xung quanh trụ theo phương nằm ngang tức là làm tăng tỉ số K = ( ; lần lượt là ứng suất hữu hiệu của phân tố đất theo phương ngang và theo phương đứng) (Hình 4).

Hình 4: Mô hình 3D cột đất đơn vị với một trụ vật liệu hạt rời ở trung tâm Với phương pháp đầm rung sâu ta cần kiểm

tra sự phù hợp của điều kiện nền đất phải xử lý với phương pháp này để đảm bảo khả năng truyền tải áp lực rung từ thiết bị đầm rung ra nền đất xung quanh. Địa chất với thành phần hạt lớn và ít thành phần hạt mịn sẽ đảm bảo tính hiệu quả của phương pháp đầm rung sâu đồng thời tăng khả năng tỷ lệ đầm chặt. Để tiến hành kiểm tra tính phù hợp của lớp đất cần xử lý với phương pháp đầm rung sâu, lý thuyết của Brown (1976) được đề cập trong tiêu chuẩn FHWA-NHI-16-027 sẽ được sử dụng. Cụ thể,

khái niệm “chỉ số thích hợp” được thiết lập và tính toán theo công thức Brown (1976) thể hiện như sau:

Chỉ số thích hợp =

Trong đó: D50, D20, D10 là đường kính kích thước hạt, đơn vị mm tại 50%, 20%, và 10%

qua rây thí nghiệm xác định thành phần hạt. Từ đó ta nắm được độ chặt của đất và thiết kế xem đầm rung có phù hợp hay không. Bảng 1 thể hiện sự đánh giá sự phù hợp của nền đất sẽ xử lý và phương pháp đầm rung.

(4)

Bảng 1: Chỉ tiêu đánh giá độ phù hợp Chỉ số thích hợp Đánh giá 0 đến 10 Rất thích hợp 10 đến 20 Thích hợp 20 đến 30 Khá thích hợp 30 đến 40 Không thích hợp

lớn hơn 50 Hoàn toàn không thích hợp

Khi kết quả phân tích nền đất đầm rung là phù hợp thì ta cần phải tính toán kích thước chiều sâu và khoảng cách bố trí tim đầm rung.

Chiều sâu được xác định qua phân bố ứng suất của tải trọng thi công phân bố trên phạm vi gia cố. Khoảng cách bố trí tim đầm rung phụ thuộc loại đất, độ chặt yêu cầu và thông số loại thiết bị đầm (cường độ và tốc độ rung, kích thước đầu đầm), từ đó xác định được tỷ lệ gia cố nền đất đảm bảo các chỉ tiêu về độ lún cho phép và sức chịu tải của đất nền. Độ chặt sau gia cố được xác định thông qua chỉ số NSPT 30 yêu cầu theo công thức kinh nghiệm sau:

Trong đó: Dr: độ chặt yêu cầu;

N: chỉ số búa SPT hiện trường yêu cầu;

: ứng suất có hiệu tại lớp gia cố đầm rung.

3. ỨNG DỤNG XỬ LÝ NỀN ĐẤT BẰNG ĐẦM RUNG SÂU CHO CÔNG TRÌNH ĐIỆN GIÓ Ở QUẢNG BÌNH

Dự án Điện gió Quảng Bình được xây dựng tại bờ biển hai huyện Quảng Ninh và Lệ Thủy, tỉnh Quảng Bình, Việt Nam. Dựa vào đặc điểm địa hình của công trình ta đưa ra những yêu cầu về giải pháp xử lý nền đất để nền móng bảo độ bền, ổn định dưới tác động của các loại tải trọng tác động vào cấu kiện, với một số hạng mục còn thiết kế chống lại sự ăn mòn do axit, nước biển.

Phương án đầm rung sâu được đưa ra với việc tận dụng vật liệu sẵn có, và nguồn vật liệu rẻ.

Dựa vào số liệu tải trọng tác dụng lên móng của tháp trụ turbin gió ta thấy điều kiện nền đất cần phải gia cường theo bảng 2.

Bảng 2: Yêu cầu N SPT/30 với các lớp cần xử lý bằng đầm rung Hố khoan Lớp địa chất phạm

vi gia cố

Độ sâu phân bố (m)

Chỉ số N SPT/30

trung bình

Chỉ số

NSPT/30 yêu cầu Kết luận WP9-W

Cát, kết cấu rời rạc

đến chặt vừa 0 - 10 7 - 22 30 Cần gia cố

WP17

WP19

WP20

WP21

đến chặt vừa 0 - 12 3 – 27 40 Cần gia cố

WP25

WP14

WP16

(5)

Mức độ phù hợp của loại nền khi sử dụng phương pháp đầm rung sâu được thể hiện ở bảng 3. Với lớp đất khu vực xây dựng trụ tháp

điện gió dưới móng là lớp cát rời rạc đến chặt vừa có chỉ số phù hợp là 26,41 cho thấy loại đất này khá phù hợp cho việc đầm rung sâu.

Bảng 3: Đánh giá chỉ số phù hợp của nền đất

Lớp D10(mm) D20 (mm) D50(mm) Chỉ số phù hợp Cát, rời rạc đến chặt vừa 0,85 0,135 0,25 26,41

Trong trường hợp với cùng một yêu cầu về độ chặt thiết kế, mạng bố trí hình vuông yêu cầu số điểm bố trí đầm rung nhiều hơn từ 5% đến 8% so với mạng bố trí hình tam giác (khi quy đổi mạng hình vuông về hình tam giác tương đương) theo kết quả so sánh từ tiêu chuẩn FHWA-NHI-16-027. Vì vậy, ta lựa chọn mạng bố trí hình tam giác cho phương án thiết kế.

Hình 5 thể hiện mối liên hệ giữa độ chặt và khoảng cách bố trí đầm rung, qua đó ta thấy khi khoảng cách giữa các tim đầm rung là 1,5m thì độ chặt có thể tới hớn 85%. Chính vì vậy,

khoảng cách tim đầm rung sâu nên lựa chọn nhỏ hơn 1,5m để đảm bảo độ chặt yêu cầu.

Hình 5: Mối quan hệ giữa độ chặt (Dr%) và khoảng cách bố trí đầm rung.

Việc lựa chọn chiều dài xử lý, khoảng cách bố trí tim đầm rung được thể hiện ở bảng 4 và hình 6.

Bảng 4: Chiều dài xử lý và khoảng cách bố trí đầm rung

STT Móng trụ Chiều dài xử lý (m)

Chiều dài xuyên (m)

Chiều dài đầm rung (m)

Khoảng cách

bố trí (m) Ghi chú

1 M9 10 3,6 6,4 1,3

Sử dụng vật liệu cát

2 M17 13 3,5 9,5 1,4

3 M19 13 3,6 9,4 1,4

4 M20 10 3,6 6,4 1,3

5 M21 12 3,6 8,4 1,4

6 M25 12 3,6 8,4 1,4

7 M14 8 3,6 4,4 1,3

8 M16 8 3,5 4,5 1,5 Sử dụng

vật liệu đá

9 M18 11 3,6 7,4 1,5

(6)

Hình 6: Mặt cắt và mặt bằng bố trí trụ đầm chặt

Để đánh giá hiệu quả xử lý nền bằng phương pháp đầm rung sâu ta thực hiện

lại các thí nghiệm hiện trường xuyên tiêu chuẩn hoặc xuyên tĩnh ở khu vực nền đất

(7)

tại trọng tâm của 3 tim trụ gần nhau sau khi xử lý. Kết qua so sánh biểu đồ giá trị NSPT và sức kháng xuyên qc trước và sau khi sử dụng phương pháp đầm rung sâu cho thấy sau khi đầm rung các giá trị NSP T

và qc của đất được tăng lên đáng kể, đáp ứng được yêu cầu đặt ra. Điều này chứng tỏ việc sử dụng đầm rung cho xử lý nền tại khu vực xây dựng móng trụ tháp gió là phù hợp.

Hình 7: Biểu đồ so sánh giá trị SPT theo độ sâu Hình 8: Biểu đồ so sánh giá trị sức kháng mũi

5. KẾT LUẬN

Giải pháp đầm rung sâu là một trong những giải pháp gia cường nền phù hợp cho nhiều dạng nền đất yếu, khá hữu hiệu với việc gia cường nền để đáp ứng được sức chịu tải tương đối lớn, giảm biến dạng và khá phù hợp cho các công trình xây dựng công nghiệp chẳng hạn như nền của các loại móng đỡ trụ tháp điện gió.

Việc ứng dụng thành công giải pháp này cho móng trụ tourbin điện gió tại Quảng Bình sẽ giúp các kỹ sư tự tin áp dụng thêm các giải pháp gia cường nền đất hiệu quả trong việc xây dựng phát triển đất nước.

TÀI LIỆU THAM KHẢO

1. Lê Hồng Quang (2012), Đánh giá khả năng ổn định và ứng dụng trụ vật liệu hạt rời để xử lý nền đất yếu khu vực phía nam, Luận văn Thạc sỹ Địa Kỹ Thuật, Trường ĐHBK – ĐHQG TPHCM.

2. Báo cáo «Thuyết minh thiết kế đầm rung sâu nền đất phạm vi móng trụ điện gió ami Quảng Bình’ của Công ty CP xử lý nền và xây dựng (Fecon) năm 2020

3. Richard D. Barksdale, Robert Charles Bachus, United States(1983). Design and Construction of Stone Columns. Federal Highway Administration.

(8)

4. Greenwood D.A. (1970). Mechanical improvement of soils below ground surface.

Proceedings of the Conference on Ground Engineering, Institution of Civil Engineers.

London, paper II, pp. 11-22.

5. Hughes J. M.O., Withers N. J., Greenwood D.A. (1975). A field trial of the reinforcing effect of stone column in soil.

Ground Treatment by Deep Compaction, Géotechnique, vol.25 (1), pp 31-44.

6. Barksdale, R.D. và R.C. Bachus (1983), Design and construction of stone columns.

Federal Highway Administration, Final Report SCEGIT, 83-104.

7. Baumann, V and Bauer, G.E.A (1974).

The performance of foundation on various soils stabilized by vibrocompaction method.

Canadian Geotechnical Journal, 11, p 509-530

8. Ngoc-Thanh N, Foray. P, Flavigny. E. 3D modelling of stone columns and application 17th International Conference on Soil Mechanics & Geotechnical Engineering, Alexandria- Egypt, October 2009

9. Priebe H.J.(1995), The design of vibro- replacement. Ground Engineering, Keller Grundbau, Technical paper, pp. 12-61.

10. Dhouib A và Blondeau F. (2005), Colonnes ballastées. Presses de ENPC, Paris, 264 pages.

11. DTU 13.2 (Norme NF P. 11 - 212).

(1978). Fondations profondes : colonnes ballastées, Chap. VIII. Paris, pp 57-59

12. FHWA-NHI-16-027 (2017) - Ground modification methods-reference manual, volume 1. U.S. Department of Transportation Federal Highway Administration.

Người phản biện: PGS, TS TRẦN THƯƠNG BÌNH