Tổng quan nghiên cứu

Nền đất yếu là một trong những thách thức lớn trong xây dựng hạ tầng, đặc biệt tại các vùng đồng bằng sông Cửu Long, nơi có diện tích đất yếu chiếm phần lớn và đang phát triển mạnh mẽ về kinh tế - xã hội. Thành phố Cần Thơ, trung tâm của vùng này, có địa hình thấp dần từ Bắc xuống Nam với cao độ trung bình phổ biến từ 0,2-1m so với mặt nước biển, địa chất chủ yếu là các lớp đất sét mềm, sét dẻo với độ ẩm cao và hệ số rỗng lớn, gây ra hiện tượng lún lớn khi xây dựng công trình. Theo khảo sát địa chất tại Cảng hàng không quốc tế Cần Thơ, các lớp đất yếu có chiều dày từ vài mét đến trên 10 mét, với độ ẩm từ 23% đến gần 70%, dung trọng ướt trung bình khoảng 1,5-1,9 g/cm³, chỉ số dẻo cao, cho thấy tính chất cơ lý không ổn định của nền đất.

Mục tiêu nghiên cứu là đánh giá hiệu quả của phương pháp gia cố nền đất yếu bằng cọc đất gia cố xi măng theo công nghệ trộn ướt của Nhật Bản, áp dụng tại Cảng hàng không Cần Thơ. Nghiên cứu tập trung vào thiết kế, thi công, kiểm tra chất lượng cọc đất gia cố xi măng, đồng thời phân tích các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu quả gia cố và đề xuất các giải pháp kỹ thuật phù hợp với điều kiện địa phương. Phạm vi nghiên cứu bao gồm công tác khảo sát địa chất, thiết kế kỹ thuật, thi công và đánh giá kết quả gia cố nền đất yếu tại khu vực đồng bằng sông Cửu Long, đặc biệt là Cần Thơ, trong giai đoạn từ năm 2007 đến 2012.

Ý nghĩa nghiên cứu thể hiện rõ trong việc nâng cao độ ổn định nền móng công trình giao thông, sân bay, bến cảng trên nền đất yếu, giảm thiểu lún sụt và sự cố công trình, đồng thời góp phần hoàn thiện các phương pháp tính toán và công nghệ thi công xử lý nền đất yếu phù hợp với điều kiện Việt Nam. Kết quả nghiên cứu có thể được đo lường qua các chỉ số như độ lún giảm hơn 30% so với nền đất tự nhiên, cường độ chịu tải của cọc đất gia cố tăng gấp 2-3 lần, và thời gian thi công rút ngắn khoảng 20% so với phương pháp truyền thống.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu dựa trên ba quan điểm chính trong tính toán sức chịu tải và biến dạng của nền đất gia cố xi măng:

  1. Quan điểm cột làm việc như cọc: Cọc đất gia cố xi măng được xem như các trụ chịu lực chính, truyền tải trọng xuống tầng đất chịu lực bên dưới. Tải trọng tác dụng lên cọc được tính toán dựa trên nội lực M, N, Q và chuyển vị móng, đảm bảo không vượt quá sức chịu tải giới hạn và mômen giới hạn của vật liệu cọc.

  2. Quan điểm nền tương đương: Nền đất và cọc được xem như một khối đồng nhất với các thông số cường độ và môđun biến dạng được quy đổi theo tỷ lệ diện tích cọc trên diện tích nền. Phương pháp này cho phép tính toán sức chịu tải và biến dạng tổng thể của nền gia cố.

  3. Quan điểm hỗn hợp: Kết hợp hai quan điểm trên, sức chịu tải được tính như cọc riêng lẻ, còn biến dạng được tính theo nền tương đương. Phương pháp này được áp dụng trong các tiêu chuẩn kỹ thuật châu Á và Trung Quốc, với các công thức cụ thể để xác định sức chịu tải cọc đơn, nhóm cọc và biến dạng tổng thể.

Các khái niệm chính bao gồm: sức chịu tải giới hạn ngắn hạn và dài hạn (rão), môđun biến dạng của đất và vật liệu cọc, hệ số an toàn, tỷ lệ diện tích cọc trên diện tích nền (m), và các thông số cơ lý của đất như độ ẩm, dung trọng, hệ số rỗng, giới hạn Atterberg.

Ngoài ra, nghiên cứu cũng áp dụng các mô hình hóa số học bằng phần mềm PLAXIS để kiểm toán kết quả tính toán và mô phỏng chuyển vị, phân bố ứng suất trong khối đất gia cố.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu chính bao gồm:

  • Khảo sát địa chất thực địa tại Cảng hàng không quốc tế Cần Thơ với các lỗ khoan lấy mẫu, thí nghiệm xuyên tiêu chuẩn (SPT), thí nghiệm cắt cánh và xuyên cắt thuận.
  • Số liệu khí tượng, thủy văn, địa hình và địa chất thu thập từ các trạm quan trắc và báo cáo dự án liên quan.
  • Tài liệu kỹ thuật, tiêu chuẩn thi công và nghiệm thu cọc đất gia cố xi măng theo công nghệ trộn ướt của Nhật Bản.
  • Kết quả thí nghiệm trong phòng và hiện trường về cường độ, biến dạng và sức chịu tải của cọc đất gia cố xi măng.

Phương pháp phân tích bao gồm:

  • Phân tích cơ sở lý thuyết và các mô hình tính toán sức chịu tải, biến dạng nền đất gia cố.
  • Thiết kế và thi công cọc đất gia cố xi măng theo quy trình công nghệ trộn ướt, bao gồm chuẩn bị mặt bằng, trộn vật liệu, khoan phụt, đóng cọc và bảo dưỡng.
  • Kiểm tra chất lượng cọc bằng thí nghiệm nén tĩnh, thí nghiệm cắt cánh, thí nghiệm xuyên tiêu chuẩn và quan trắc chuyển vị, áp lực nước ngầm.
  • Sử dụng phần mềm PLAXIS để mô phỏng và kiểm toán kết quả thiết kế, đánh giá hiệu quả gia cố.
  • Thời gian nghiên cứu kéo dài khoảng 5 năm, từ khảo sát địa chất ban đầu, thi công thử nghiệm, đến đánh giá kết quả và đề xuất giải pháp.

Cỡ mẫu khảo sát địa chất gồm hơn 10 lỗ khoan với độ sâu từ 10 đến 40 mét, thí nghiệm hiện trường và phòng thí nghiệm được thực hiện trên hàng chục mẫu đất và cọc gia cố. Phương pháp chọn mẫu đảm bảo đại diện cho điều kiện địa chất đa dạng tại khu vực nghiên cứu.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Hiệu quả gia cố nền đất yếu bằng cọc đất gia cố xi măng: Kết quả thí nghiệm nén tĩnh tại hiện trường cho thấy sức chịu tải của cọc đất gia cố xi măng đạt khoảng 400-600 kN, tăng gấp 2-3 lần so với nền đất tự nhiên. Độ lún giảm trung bình 30-40% so với nền đất chưa gia cố, đảm bảo yêu cầu kỹ thuật cho công trình sân bay.

  2. Ảnh hưởng của hàm lượng xi măng và chiều sâu cọc: Hàm lượng xi măng từ 8-12% theo thể tích đất và chiều sâu cọc từ 10-15m là tối ưu, giúp tăng cường độ cọc lên đến 1,5-2 lần so với các trường hợp hàm lượng thấp hơn. Cường độ nén mẫu xi măng - đất trong phòng đạt 1,5-2 MPa sau 28 ngày bảo dưỡng, trong khi ngoài thực tế chỉ đạt khoảng 0,5-1 MPa do điều kiện thi công và môi trường.

  3. Phân bố ứng suất và chuyển vị trong khối đất gia cố: Mô phỏng bằng PLAXIS cho thấy ứng suất tập trung tại các cọc gia cố, phân bố đều theo mạng lưới bố trí cọc so le hoặc thẳng hàng. Chuyển vị thẳng đứng của khối đất gia cố giảm đáng kể trong giai đoạn thi công đắp cát và tải trọng công trình, với giá trị chuyển vị ngang dưới 5 mm, đảm bảo ổn định công trình.

  4. So sánh công nghệ trộn ướt với các phương pháp khác: Công nghệ trộn ướt của Nhật Bản cho hiệu quả thi công nhanh, chất lượng cọc đồng đều, giảm sai số thi công so với công nghệ trộn khô hoặc khoan phụt áp lực thấp. Thời gian thi công rút ngắn khoảng 20%, chi phí giảm 15-20% so với các phương pháp truyền thống.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính của hiệu quả gia cố là do phản ứng thủy hóa của xi măng với đất tạo thành khối vật liệu cứng chắc, tăng cường sức chịu tải và giảm biến dạng nền. Hàm lượng xi măng và điều kiện thi công ảnh hưởng trực tiếp đến cường độ và độ đồng đều của cọc. Việc bố trí cọc theo mạng lưới so le giúp phân bố tải trọng đều, giảm ứng suất tập trung và hạn chế lún lệch.

So với các nghiên cứu trước đây tại Nhật Bản và Trung Quốc, kết quả tại Cần Thơ tương đồng về mặt cơ lý nhưng có sự khác biệt do điều kiện địa chất đặc thù như độ ẩm cao, hàm lượng hữu cơ và muối trong đất. Việc áp dụng công nghệ trộn ướt giúp khắc phục các hạn chế này, nâng cao hiệu quả gia cố.

Dữ liệu có thể được trình bày qua các biểu đồ cường độ nén mẫu xi măng - đất theo thời gian, bảng so sánh độ lún nền trước và sau gia cố, biểu đồ phân bố ứng suất và chuyển vị mô phỏng bằng PLAXIS, giúp minh họa rõ ràng hiệu quả của phương pháp.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Áp dụng rộng rãi công nghệ trộn ướt trong gia cố nền đất yếu: Khuyến nghị các dự án xây dựng tại đồng bằng sông Cửu Long, đặc biệt là sân bay, cảng biển và đường giao thông, sử dụng công nghệ trộn ướt của Nhật Bản để gia cố nền đất yếu nhằm tăng cường độ chịu tải và giảm lún.

  2. Tối ưu hàm lượng xi măng và chiều sâu cọc: Đề xuất sử dụng hàm lượng xi măng từ 8-12% và chiều sâu cọc từ 10-15m tùy theo đặc điểm địa chất cụ thể, nhằm đảm bảo hiệu quả kỹ thuật và kinh tế trong vòng 6-12 tháng thi công.

  3. Xây dựng quy trình kiểm tra chất lượng nghiêm ngặt: Thiết lập hệ thống thí nghiệm hiện trường và phòng thí nghiệm để kiểm tra cường độ, biến dạng và độ đồng đều của cọc đất gia cố xi măng, đảm bảo tuân thủ tiêu chuẩn kỹ thuật trong suốt quá trình thi công.

  4. Đào tạo và chuyển giao công nghệ cho đội ngũ kỹ sư, công nhân: Tổ chức các khóa đào tạo chuyên sâu về công nghệ trộn ướt, kỹ thuật thi công và quản lý chất lượng nhằm nâng cao năng lực thực hiện và giám sát dự án, dự kiến trong 3-6 tháng đầu triển khai dự án.

  5. Nghiên cứu tiếp tục về ảnh hưởng môi trường và tuổi thọ công trình: Khuyến khích các nghiên cứu dài hạn về tác động của môi trường như độ ẩm, muối, nhiệt độ đến cường độ và độ bền của cọc đất gia cố xi măng, nhằm hoàn thiện công nghệ và mở rộng ứng dụng.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Kỹ sư xây dựng và địa kỹ thuật: Nắm bắt kiến thức chuyên sâu về công nghệ gia cố nền đất yếu bằng cọc đất gia cố xi măng, áp dụng trong thiết kế và thi công các công trình hạ tầng giao thông, sân bay, cảng biển.

  2. Nhà quản lý dự án và chủ đầu tư: Hiểu rõ hiệu quả kỹ thuật và kinh tế của phương pháp gia cố, từ đó đưa ra quyết định đầu tư hợp lý, giảm thiểu rủi ro và chi phí phát sinh trong xây dựng trên nền đất yếu.

  3. Các viện nghiên cứu và trường đại học: Sử dụng làm tài liệu tham khảo cho các đề tài nghiên cứu tiếp theo về xử lý nền đất yếu, phát triển công nghệ thi công và mô hình tính toán sức chịu tải, biến dạng nền.

  4. Nhà thầu thi công và tư vấn kỹ thuật: Áp dụng quy trình thi công, kiểm tra chất lượng và quản lý dự án theo tiêu chuẩn công nghệ trộn ướt, nâng cao hiệu quả thi công và đảm bảo chất lượng công trình.

Câu hỏi thường gặp

  1. Phương pháp cọc đất gia cố xi măng trộn ướt có ưu điểm gì so với phương pháp truyền thống?
    Phương pháp trộn ướt giúp tạo ra cọc đồng đều, tăng cường độ chịu tải và giảm lún nền hiệu quả hơn. Thời gian thi công nhanh hơn khoảng 20%, chi phí giảm 15-20% so với trộn khô hoặc khoan phụt áp lực thấp.

  2. Hàm lượng xi măng tối ưu trong hỗn hợp gia cố là bao nhiêu?
    Hàm lượng xi măng từ 8-12% theo thể tích đất được xác định là tối ưu, cân bằng giữa cường độ gia cố và chi phí vật liệu, phù hợp với điều kiện đất yếu tại Cần Thơ.

  3. Làm thế nào để kiểm tra chất lượng cọc đất gia cố xi măng sau thi công?
    Có thể sử dụng thí nghiệm nén tĩnh cọc đơn, thí nghiệm cắt cánh, xuyên tiêu chuẩn (SPT) và quan trắc chuyển vị, áp lực nước ngầm để đánh giá cường độ và độ ổn định của cọc.

  4. Công nghệ trộn ướt có áp dụng được cho các loại đất có hàm lượng hữu cơ cao không?
    Có thể áp dụng nhưng cần tăng hàm lượng xi măng để khắc phục ảnh hưởng của hữu cơ và muối trong đất, đảm bảo quá trình thủy hóa và cường độ khối gia cố.

  5. Phần mềm PLAXIS được sử dụng như thế nào trong nghiên cứu này?
    PLAXIS được dùng để mô phỏng phân bố ứng suất, chuyển vị và kiểm toán kết quả tính toán thiết kế, giúp đánh giá hiệu quả gia cố và dự báo biến dạng nền trong các giai đoạn thi công và khai thác.

Kết luận

  • Gia cố nền đất yếu bằng cọc đất gia cố xi măng theo công nghệ trộn ướt của Nhật Bản tại Cảng hàng không Cần Thơ đã chứng minh hiệu quả kỹ thuật cao, tăng sức chịu tải gấp 2-3 lần và giảm lún nền khoảng 30-40%.
  • Phương pháp kết hợp các quan điểm tính toán sức chịu tải và biến dạng nền, sử dụng mô hình hỗn hợp và phần mềm PLAXIS, giúp thiết kế chính xác và kiểm soát chất lượng thi công.
  • Hàm lượng xi măng từ 8-12% và chiều sâu cọc 10-15m là các thông số tối ưu cho điều kiện địa chất đồng bằng sông Cửu Long.
  • Công nghệ trộn ướt rút ngắn thời gian thi công, giảm chi phí và sai số so với các phương pháp truyền thống, phù hợp với điều kiện thi công tại Việt Nam.
  • Đề xuất triển khai áp dụng rộng rãi công nghệ này trong các dự án xây dựng hạ tầng tại vùng đất yếu, đồng thời tiếp tục nghiên cứu nâng cao hiệu quả và tuổi thọ công trình.

Hành động tiếp theo là tổ chức các khóa đào tạo kỹ thuật, hoàn thiện quy trình kiểm tra chất lượng và triển khai các dự án thí điểm mở rộng ứng dụng công nghệ trộn ướt trong gia cố nền đất yếu trên toàn quốc.