Hiệu quả kinh tế - Kỹ thuật của việc tận dụng đá xít thải thay thế đá hộc và cát lấp sau tường chắn cứng

ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 1+2 - 2019 57 HIỆU QUẢ KINH TẾ - KỸ THUẬT CỦA VIỆC TẬN DỤNG ĐÁ XÍT THẢI THAY THẾ ĐÁ HỘC VÀ CÁT LẤP SAU TƯỜNG CHẮN CỨNG NGUYỄN VĂN VI * Economic-technical effectiveness of using wasted anthracit instead of using sand and freestone for backfilling behind stiff retaining wall Abstract: This paper analyzes the influence of main phisyo-mechanical properties of backfilling materials to the work of stiff retaining wall on which we can calculate and assess the economic-technical effectiveness of using wasted anthracit instead of using sand and freestone for backfilling behind retaining wall with a case study at Quang Ninh province. 1. MỞ ĐẦU* Đá xít thải là loại vật liệu đất, đá tại bãi thải, là sản phẩm thừa của quá trình khai thác và tuyển chọn than. Trước áp lực tận thu tài nguyên, giảm thiểu ô nhiễm môi trường của các bãi thải và các nhà máy tuyển than, ngay từ giữa thế kỷ XX các nhà khoa học trên thế giới đã tiến hành các nghiên cứu để có thể sử dụng đá xít thải trong việc sản xuất gạch, làm vật liệu xây dựng cho các công trình công nghiệp, giao thông, dân dụng,... [5]. Hình 1.1. Một góc bãi thải Đông Cao Sơn, Quảng Ninh * Trường Đại học Công nghệ GTVT 54 Triều Khúc, Q. Thanh Xuân, Hà Nội DĐ: 0974853495 Email: nguyenvivx@gmail.com Ở nước ta đá xít thải hiện có trữ lượng rất lớn và hàng năm lại tăng thêm. Theo số liệu thống kê, khối lượng đá xít thải tích tụ từ khai thác than tại khu vực Cẩm Phả - Quảng Ninh tính đến hết năm 2012 đã vào khoảng 3,7 tỷ m3, dự tính đến năm 2020, sẽ tăng thêm khoảng (1,6-1,9) tỷ m3 [3]. Các bãi đá xít thải có diện tích rất lớn và chiều cao có nơi đến cả trăm mét, gây nên tình trạng ô nhiễm môi trường nghiêm trọng và luôn tiềm ẩn tai họa do sụt lở (xem hình 1.1) [5]. Hình 1.2. Vật liệu đá xít thải tại bãi thải Đông Cao Sơn [5] Đã có giải pháp quy hoạch tổng thể các bãi để tập trung thu gom đá xít thải từ các mỏ lân cận về một mối nên đã khắc phục được phần nào tình trạng ô nhiễm môi trường, tuy nhiên, vẫn chưa có một giải pháp tổng thể khả thi nào ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 1+2 - 2019 58 cho việc giải quyết triệt để khối lượng đá xít thải khổng lồ kể trên. Cũng đã có một số đề tài nghiên cứu sử dụng vật liệu đá xít thải tại các mỏ than ở Cẩm Phả - Quảng Ninh trong xây dựng đường ô tô [3], hoặc chế biến chúng thành cát nhân tạo [4], vật liệu xây dựng, sản xuất gạch, Tuy nhiên, việc áp dụng các kết quả nghiên cứu còn hạn chế nên lượng đá xít thải mới được sử dụng rất ít. Trong khi đó, nhu cầu về vật liệu trong xây dựng các công trình dạng tường chắn cứng như các kè bờ và công trình bến cảng ở các thành phố thuộc tỉnh Quảng Ninh và ở các thành phố khác là rất lớn. Nếu tận dụng được đá xít thải thay thế cho vật liệu truyền thống lấp sau các công trình nói trên là cát và đá hộc thì sẽ có khả năng đem lại hiệu quả kinh tế - kỹ thuật rất lớn, đồng thời góp phần giải quyết được bài toán tận thu tài nguyên, giảm thiểu ô nhiễm môi trường và loại trừ tai họa tiềm ẩn của các bãi đá xít thải. 2. ẢNH HƯỞNG CỦA CÁC CHỈ TIÊU CƠ LÝ CHỦ YẾU CỦA VẬT LIỆU LẤP ĐẾN SỰ LÀM VIỆC CỦA TƯỜNG CHẮN CỨNG Đối với tường chắn cứng, tải trọng tác dụng lên tường chủ yếu là áp lực đất. Chúng ta xem xét và phân tích tác dụng của các áp lực đất lên tường chắn như trên hình 2.1. Giả sử đất lấp là đồng nhất và không có tải trọng tác dụng trên mặt đất. Không làm mất tính tổng quát khi phân tích ảnh hưởng của các đặc trưng cơ-lý của vật liệu lấp đến trạng thái suất-biến dạng của tường chắn cứng, chúng ta xét ổn định lật của tường quanh mép trước (điểm O trên hình 2.1). Khi tính toán cường độ áp lực đất chủ động lên tường chắn trong trường hợp này, có thể sử dụng các công thức tổng quát có xét đến tác dụng của lực dính. Tuy nhiên, xét đến điều kiện thực tế là, các vật liệu lấp sau tường thường là vật liệu rời như cát, đát hộc, đát xít thải,... nên trong tính toán ta lấy lực dính đơn vị c = 0. Ngoài ra, để đơn giản mà không ảnh hưởng nhiều đến bản chất bài toán ta bỏ qua ma sát giữa đất và tường khi tính các áp lực đất. Khi đó, cường độ của áp lực đất chủ động tại chân tường được xác định theo công thức 2 0. . . . (45 / 2)a a a a a a ah h tg       (2.1) và hợp lực của áp lực đất chủ động 2 2 01 1. ( . . ). . . (45 /2) 2 2 a a a a a a a a a a E h h h h tg        (2.2) Hình 2.1. Tải trọng do các áp lực đất tác dụng lên công trình dạng tường chắn cứng Từ đó, mô men gây lật do áp lực đất chủ động được xác định theo công thức 3 2 01. / 3 . . (45 / 2) 3 l a a a a aM E h h tg    . (2.3) Tương tự, cường độ của áp lực đất bị động tại chân tường được xác định theo công thức 2 0. . . . (45 / 2)p p p p p p ph h tg       , (2.4) và hợp lực của áp lực đất bị động 2 2 01 1. ( . . ). . . (45 / 2) 2 2 p p p p p p p p p pE h h h h tg        . (2.5) Mô men chống lật hay mômen giữ do áp lực đất bị động được xác định theo công thức 3 2 01. / 3 . . (45 / 2) 3 g p p p p pM E h h tg    . (2.6) ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 1+2 - 2019 59 Từ các kết quả trên ta xác định tỷ số giữa mômen giữ và mô men gây lật chỉ do tác dụng của các áp lực đất theo công thức 3 2 0 3 2 0 0 3 2 0 1 . . (45 / 2) (45 / 2)3 . . 1 (45 / 2). . (45 / 2) 3 p p p g p p p ol l a a a a a a h tgM h tg k M h tgh tg                           . (2.7) Có thể gọi hệ số kol là “hệ số ổn định quy ước” vì trong mômen giữ chưa kể đến tác dụng chống lật của trọng lượng bản thân tường và phần đất phía trên chân tường, cũng như của thành phần thẳng đứng của áp lực đất chủ động khi kể đến ma sát giữa đất và tường. Ta đặt p a A    ; 3 p a h B h         ; 2 0 0 (45 / 2) (45 / 2) p a tg C tg           . (2.8) Từ công thức tính kol (2.7) và công thức (2.8) chúng ta thấy rằng: 1) Khi phía sau và phía trước tường cùng lấp một loại vật liệu, tức p a  , A =1, p a  , các kích thước tường đã cho trước nên tỷ số hp/ha không đổi nên B = const, “hệ số ổn định quy ước” chỉ phụ thuộc vào giá trị góc ma sát trong của vật liệu lấp a . Nghĩa là, khi a càng lớn thì C càng lớn và tương ứng là kol càng lớn và ngược lại. Ví dụ, Khi p a  = 18 kN/m 3; p a  = 30 0; ha = 10,0 m; hp = 3,0 m thì kol = 0,243; Khi p a  = 18 kN/m 3; p a  = 40 0; ha = 10,0 m; hp = 3,0 m thì kol = 0,571. 2) Khi phía sau và phía trước tường lấp các loại vật liệu khác nhau nhưng có góc ma sát trong như nhau, nghĩa là p a  , C = const, các kích thước tường đã cho trước nên tỷ số hp/ha cũng không đổi nên B = const, hệ số ổn định quy ước chỉ phụ thuộc vào giá trị trọng lượng thể tích của các vật liệu lấp a và p . Nghĩa là, khi a càng lớn và p càng nhỏ thì A càng nhỏ và tương ứng là kol càng nhỏ và ngược lại. Ví dụ: Khi p a  = 40 0 ; a = 18 kN/m 3; p = 18 kN/m3; ha = 10,0 m; hp = 3,0 m thì kol = 0,571; Khi p a  = 40 0 ; a = 22 kN/m 3; p = 18 kN/m3; ha = 10,0 m; hp = 3,0 m thì kol = 0,467. Như vậy, trạng thái làm việc hay trạng thái ứng suất-biến dạng của công trình dạng tường chắn cứng chịu ảnh hưởng chủ yếu của góc ma sát trong và trọng lượng thể tích của vật liệu lấp. Vì thế cần nghiên cứu sự thay đổi trạng thái ứng suất- biến dạng của tường chắn khi tận dụng đá xít thải thay thế cát và đá hộc để lấp sau công trình. 3. PHÂN TÍCH KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM XÁC ĐỊNH MỘT SỐ CHỈ TIÊU CƠ-LÝ CỦA ĐÁ XÍT THẢI 3.1. Các kết quả thu thập được Các kết quả thu thập được chủ yếu ở khu vực Cẩm Phả, Quảng Ninh, mà trực tiếp là ở bãi thải Đông Cao Sơn. - Về tổng quan, các kết quả nghiên cứu đã chỉ ra rằng, thành phần chủ yếu của đất đá xít thải gồm chủ yếu các loại đá phong hóa (cát kết, bột kết, sét kết) có độ bền cơ học không cao và lẫn trong đó một lượng nhỏ đất từ bề mặt của tầng phủ, ước chiếm khoảng 10% tổng số vật liệu thải [3], [5]. - Về thành phần khoáng hóa của đá xít thải: Thành phần khoáng hóa của đá xít thải ở bãi thải Đông Cao Sơn được dẫn ra ở bảng 3.1 [3]. Như vậy, thành phần chủ yếu của đá xít thải là oxyt silic SiO2 (77,12%), sau đó là oxyt nhôm (9,40%), oxyt sắt (4,47%), - Về thành phần cỡ hạt của đá xít thải: Theo các kết quả nghiên cứu [3], [5], loại hạt có kích thước lớn hơn 50 mm (nhóm A) chiếm đến xấp xỉ 90% tổng khối lượng của các mẫu đá xít thải. ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 1+2 - 2019 60 Ngoài ra, các hạt có kích thước > 100 mm chiếm hơn (70÷75)% trong nhóm A [3]. Nếu xét tỷ lệ khi tổng hợp phân loại các cỡ hạt của đá xít thải ở bãi thải Đông Cao Sơn thì các hạt có kích thước > 100 mm cũng chiếm khoảng 70% của tổng khối lượng mẫu. - Về cường độ chịu nén của bản thân viên đá xít thải: Cường độ chịu nén của bản thân viên đá xít thải dao động trong khoảng (70 ÷ 90) MPa [3]. Như vậy, tuy đá xít thải có cường độ không cao như một số loại đá thiên nhiên, nhưng cũng gần bằng cường độ của một số đá thiên nhiên có cường độ trung bình [3]. Theo Tiêu chuẩn [2], việc phân loại đá phụ thuộc mức độ cứng chắc của đá, và đá xít thải có thể được xếp vào loại “Đá cứng chắc”. Loại vật liệu như thế có thể làm vật liệu lấp sau tường và làm nền các công trình kè bờ dạng tường chắn. Bảng 3.1. Thành phần khoáng hóa của đá xít thải ở khu vực Cẩm Phả - Quảng Ninh [3] Số TT Chỉ tiêu Đơn vị Kết quả trung bình Phương pháp thử 1 SiO2 % 77,12 2 Fe2O3 % 4,47 3 KMn % 4,42 4 Al2O3 % 9,40 5 TiO2 % 0,26 6 K2O % 1,67 7 Na2O % 0,16 8 CaO % 0,84 9 MgO % 0,80 10 SO3 % 0,02 TCVN 7131-2002 3.2. Các kết quả thí nghiệm Để phục vụ mục đích nghiên cứu, tác giả cùng các cộng sự đã tiến hành điều tra, khảo sát nhiều khu vực rộng lớn trong bãi thải Đông Cao Sơn, sau đó tiến hành lấy mẫu, bảo quản và chuyển về Phòng Thí nghiệm LAS-XD72 thuộc Trường Đại học Công nghệ GTVT để thí nghiệm. Kết quả thí nghiệm một số chỉ tiêu của đá xít thải được thể hiện trong bảng 3.2 [5]. Bảng 3.2. Tổng hợp giá trị các đại lượng đã được thí nghiệm [5] TT Đại lượng Giá trị trung bình 1 Khối lượng riêng (hạt) của đá xít thải (T/m3) 2,6813 2 Khối lượng thể tích của đá xít thải (T/m3) 1,5618 3 Khối lượng thể tích đẩy nổi của đá xít thải (T/m3) 0,9690 4 Độ hút nước (%) 0,7816 Trong bảng 3.2, đáng chú ý nhất là giá trị trung bình của độ hút nước của đá xít thải bằng 0,7816. Điều đó thể hiện mức độ phong hóa của đá xít thải không lớn. Đá hoàn toàn có thể chịu được lâu dài trong nước mà không bị phá hoại. Ngoài ra, khối lượng thể tích của đá xít thải cũng tương đối nhỏ hơn so với của cát và đá hộc. 4. PHÂN TÍCH HIỆU QUẢ KINH TẾ - KỸ THUẬT KHI TẬN DỤNG ĐÁ XÍT THẢI THAY THẾ ĐÁ HỘC VÀ CÁT LẤP SAU TƯỜNG CHẮN CỨNG ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 1+2 - 2019 61 4.1. Hiệu quả kỹ thuật Để đánh giá hiệu quả kỹ thuật của kết cấu tường chắn cứng khi tận dụng đá xít thải lấp sau công trình thay thế cát và đá hộc, tác giả và các cộng sự đã tiến hành tính toán một tường chắn cứng với chiều cao 10 m về ổn định và nội lực theo các phương án vật liệu lấp sau tường với giả định là ở khu vực tỉnh Quảng Ninh. Các kết quả tính toán và so sánh giá trị các đại lượng được dẫn ra trong các bảng 4.1 và 4.2 [5]. Bảng 4.1. So sánh kết quả tính toán về ổn định, về ứng suất pháp đáy ở tường chắn cứng theo các phương án vật liệu lấp với mực nước cao [5] Đại lượng xét P/A lấp cát P/A lấp đá hộc P/A lấp đá xít thải Hệ số ổn định về lật kl 2,499 100% 4,643 185,79% 3,444 137,81% Hệ số ổn định trượt phẳng ktr 1,224 100% (–)12,506 - 3,135 256,12% Hệ số ổn định tổng thể kmin 1,495 100% 1,665 111,37% 1,603 107,22% Độ lệch tâm ở đáy tường e(m) 0,707 100% – 0,092 - 0,281 39,75% max (kPa) 167,952 100% 108,993 64,89% 124,376 74,05% min (kPa) 28,851 100% 90,660 314,23% 69,887 238,76% Như vậy, nếu lấy các giá trị của các đại lượng xác định được theo phương án lấp cát làm chuẩn (100%) để so sánh, ta thấy: - Các hệ số ổn định về lật kl và kmin khi lấp đá hộc đạt tương ứng là 185,79% và 111,37% so với các hệ số ổn định của tường chắn cứng khi lấp cát, trong khi lấp đá xít thải các hệ số này tương ứng đạt 137,81% và 107,22%. - Đặc biệt, hệ số ổn định về trượt phẳng của tường chắn cứng khi lấp đá xít thải là 3,135, lớn gấp 2,56 lần so với hệ số ổn định của tường chắn cứng khi lấp cát (1,224). - Các giá trị của ứng suất pháp lớn nhất max ở đáy tường khi so với phương án lấp cát tương ứng chỉ là 64,89% khi lấp đá hộc và 74,05% khi lấp đá xít thải và được phân bố đều hơn. Bảng 4.2. So sánh kết quả tính toán về ổn định, về ứng suất pháp đáy ở tường chắn cứng theo các phương án vật liệu lấp với mực nước thấp [5] Đại lượng xét P/A lấp cát P/A lấp đá hộc P/A lấp đá xít thải Hệ số ổn định về lật kl 3,521 100% 5,817 165,21% 4,470 126,95% Hệ số ổn định trượt phẳng ktr 2,354 100% (–) 4,060 - 7,797 331,22% Hệ số ổn định tổng thể kmin 1,374 100% 1,677 122,05% 1,509 109,82% Độ lệch tâm ở đáy tường e (m) 0,278 100% – 0,262 - 0,056 20,14% max (kPa) 190,669 100% 193,577 101,53% 154,490 81,03% min (kPa) 107,731 100% 113,223 105,10% 138,114 128,20% ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 1+2 - 2019 62 Hình 4.1. Sự thay đổi của các hệ số ổn định khi mực nước cao: 1- đối với kl; 2- đối với kmin Hình 4.2. Sự thay đổi của các hệ số ổn định khi mực nước thấp: 1- đối với kl; 2- đối với kmin Từ các bảng 4.1 và 4.2 có thể thể hiện sự thay đổi giá trị của các hệ số ổn định trên hình 4.1, 4.2, còn sự thay đổi của các ứng suất pháp lớn nhất ở đáy tường được thể hiện trên hình 4.3. Hình 4.3. Sự thay đổi giá trị các ứng suất pháp lớn nhất ở đáy tường chắn cứng: 1- khi mực nước cao; 2- khi mực nước thấp Từ các kết quả trên đây có thể nhận xét như sau: + Hệ số ổn định trong trường hợp lấp đá xít thải luôn cao hơn trường hợp lấp cát. + Khi cùng loại vật liệu lấp, ứng suất pháp lớn nhất ở đáy tường max trong trường hợp mực nước thấp luôn lớn hơn max trong trường hợp mực nước cao do tác dụng đẩy nổi của nước. + Khi mực nước thấp và lấp đá xít thải, ứng suất pháp lớn nhất ở đáy tường max nhỏ hơn nhiều so với trường hợp lấp đá hộc (xem bảng 4.2 và hình 4.3). 4.2. Hiệu quả về kinh tế Để đánh giá hiệu quả về kinh tế của tường chắn cứng khi tận dụng đá xít thải lấp sau công trình thay thế cát và đá hộc, phải tính khối lượng và giá thành của mỗi phương án vật liệu lấp. Kích thước của tường và phạm vi lấp của các phương án được thể hiện trên các hình 4.4, 4.5, 4.6 [5]. Khi tính toán giá thành các phương án, đơn giá vật liệu được lấy theo các tài liệu [6], [7]. Các kết quả tính toán và so sánh khối lượng và giá thành các phương án vật liệu lấp được dẫn ra trong bảng 4.3. Một cách trực quan, trên hình 4.7 thể hiện việc so sánh giá thành của các phương án vật liệu lấp ở dạng cột [5]. Có thể nhận xét như sau: - Khối lượng phương án lấp đá hộc là ít nhất, khối lượng phương án lấp cát là nhiều nhất. - Giá thành của phương án lấp cát là đắt ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 1+2 - 2019 63 nhất và giá thành của phương án lấp đá xít thải là rẻ nhất, chỉ bằng 23,97% giá thành của phương án lấp cát và bằng 32,54% giá thành của phương án lấp đá hộc. Hình 4.4. Kết cấu và kích thước tường chắn cứng khi sử dụng cát lấp Hình 4.5. Kết cấu và kích thước tường chắn cứng khi sử dụng đá hộc lấp Hình 4.6. Kết cấu và kích thước tường chắn cứng khi sử dụng đá xít thải Hình 4.7. So sánh giá thành của các phương án vật liệu lấp sau tường ở dạng cột Bảng 4.3. So sánh khối lượng và giá thành các phương án vật liệu lấp sau tường [5] Đại lượng P/A lấp cát P/A lấp đá hộc P/A lấp đá xít thải Khối lượng (m3) 106,77 100% 93,75 87,81% 102.23 95,75% Giá thành (đ/mét dài) 61.932.960 100% 44.993.025 73,65% 14.846.890 23,97% ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 1+2 - 2019 64 5. KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ Từ các kết quả đánh giá hiệu quả kinh tế - kỹ thuật của kết cấu dạng tường chắn cứng khi tận dụng đá xít thải lấp sau công trình thay thế cát và đá hộc có thể khẳng định rằng, việc sử dụng đá xít thải thay cho cát và đá hộc trong các kết cấu này đem lại hiệu quả rất lớn cả về kỹ thuật và kinh tế. Về kỹ thuật, dùng đá xít thải lấp gây ra nội lực luôn nhỏ hơn khi lấp cát và luôn ổn định hơn cát, còn về giá thành thì luôn rẻ hơn cát và đá hộc rất nhiều. Kết quả nghiên cứu sẽ góp phần giải quyết bài toán tận thu tài nguyên, khắc phục tình trạng ngày càng khan hiếm cát và đá hộc, giảm thiểu ô nhiễm môi trường và giảm khả năng gây ra tai họa của các bãi đá xít thải ở Quảng Ninh. Đề nghị các chủ đầu tư (cả Doanh nghiệp Nhà nước và tư nhân) chú trọng đến việc sử dụng đá xít thải trong xây dựng, yêu cầu các nhà thầu tư vấn thiết kế phải đưa phương án sử dụng đá xít thải vào hồ sơ lựa chọn phương án kết cấu và phải coi là một phương án quan trọng nhất. TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] TCVN 9152:2012. Công trình thủy lợi – Quy trình thiết kế tường chắn công trình thủy lợi. [2] TCVN 4253:2012. Công trình thuỷ lợi – Nền các công trình thuỷ công – Yêu cầu thiết kế. [3] Phạm Huy Khang, Nguyễn Hữu Trí, Đỗ Văn Thái (2015), “Nghiên cứu sử dụng vật liệu đất đá thải tại các mỏ than ở Cẩm Phả - Quảng Ninh và khả năng sử dụng chúng trong xây dựng đường ô tô”, Tạp chí Giao thông vận tải, số tháng 11. [4] Trà Vân, “Cát nhân tạo Thiên Nam: Sự lựa chọn cho các nhà thầu uy tín”, Báo THANH TRA, 25/02/2017. [5] Nguyễn Văn Vi và nnk (2018), Nghiên cứu tận dụng vật liệu đá xít thải thay thế cát và đá hộc để tạo ra kết cấu kè bờ và công trình bến cảng có hiệu quả kinh tế-kỹ thuật cao, Đề tài NCKH&CN cấp Bộ GTVT, mã số DT184058. [6] Sở Xây dựng tỉnh Quảng Ninh. Văn bản số 3618/2018/CBG-SXD ngày 08/10/2018: Công bố giá vật tư, vật liệu, máy, thiết bị xây dựng trên địa bàn tỉnh Quảng Ninh quý III năm 2018. [7] Sở Xây dựng tỉnh Quảng Ninh. Quyết định số 3666/QĐ-SXD ngày 07/12/2016 về Công bố định mức vận chuyển vật liệu xây dựng bằng đường bộ và đường thuỷ trên địa bàn tỉnh Quảng Ninh. Người phản biện: GS.TS. ĐỖ NHƯ TRÁNG