Tổng quan nghiên cứu

Hiện tượng lún nền đường dẫn vào cầu là vấn đề phổ biến và nghiêm trọng tại nhiều công trình giao thông, đặc biệt ở khu vực đồng bằng sông Cửu Long và tỉnh Sóc Trăng. Theo thống kê năm 2008, tỉnh Sóc Trăng có 43 cây cầu bị lún nền đường dẫn, trong đó nhiều cầu phải thực hiện bù lún hàng năm với mức độ từ 4 đến 7 cm, như cầu Kinh Xáng có năm phải bù lún đến hai lần. Hiện tượng này gây ra sự không đồng đều trong mặt đường, làm giảm an toàn giao thông, tăng chi phí duy tu bảo dưỡng và có thể ảnh hưởng đến tuổi thọ công trình.

Mục tiêu nghiên cứu là đánh giá các hiện tượng lún thường gặp tại đường dẫn đầu cầu, phân tích và lựa chọn giải pháp xử lý nền đất yếu phù hợp, đặc biệt là giải pháp cọc đất xi măng, nhằm cải thiện độ ổn định, giảm lún lệch và tăng khả năng chịu tải của nền đường. Nghiên cứu tập trung vào khu vực tỉnh Sóc Trăng với điều kiện địa chất phức tạp, lớp đất yếu dày, đồng thời ứng dụng công nghệ Jet Grouting trong thi công cọc đất xi măng.

Phạm vi nghiên cứu bao gồm khảo sát thực trạng lún nền đường dẫn vào cầu, thí nghiệm xác định hàm lượng xi măng tối ưu trộn với đất yếu, tính toán thiết kế và mô phỏng độ lún bằng phần mềm Plaxis. Ý nghĩa nghiên cứu thể hiện qua việc cung cấp giải pháp kỹ thuật hiệu quả, tiết kiệm chi phí, rút ngắn thời gian thi công và nâng cao độ bền công trình giao thông tại vùng đất yếu đặc thù.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu dựa trên các lý thuyết và mô hình sau:

  • Lý thuyết cơ học đất: Phân tích tính chất cơ lý của đất yếu, bao gồm độ bền chống cắt, mô đun đàn hồi, hệ số rỗng và áp lực nước lỗ rỗng, ảnh hưởng đến biến dạng và lún nền.
  • Mô hình cọc đất xi măng: Xem xét cọc đất xi măng làm việc như cọc cứng hoặc làm việc đồng thời với đất nền theo quan điểm hỗn hợp, từ đó tính toán sức chịu tải và biến dạng.
  • Mô hình tính toán lún nền: Áp dụng mô hình phân lớp đất và phương pháp cộng lớp phân tổ để ước lượng độ lún tổng cộng, bao gồm lún cục bộ của khối gia cố và lún của đất nền xung quanh.
  • Công nghệ Jet Grouting: Phân tích các công nghệ thi công cọc đất xi măng (đơn pha, hai pha, ba pha), ưu nhược điểm và ảnh hưởng đến chất lượng cọc.

Các khái niệm chính bao gồm: cọc đất xi măng, hàm lượng xi măng tối ưu, độ lún lệch, mô đun đàn hồi tương đương, hệ số an toàn, và mô hình số Plaxis.

Phương pháp nghiên cứu

  • Nguồn dữ liệu: Thu thập số liệu khảo sát địa chất, kết quả thí nghiệm cơ lý đất và đất trộn xi măng, số liệu quan trắc lún thực tế tại các công trình ở tỉnh Sóc Trăng.
  • Phương pháp thí nghiệm: Gia công mẫu đất trộn xi măng với các hàm lượng khác nhau, tiến hành thí nghiệm nén đơn trục không nở hông để xác định cường độ chịu nén và sức chống cắt, từ đó xác định hàm lượng xi măng tối ưu.
  • Phương pháp phân tích: Tính toán sức chịu tải và độ lún của cọc đất xi măng theo các quan điểm tính toán phổ biến, so sánh kết quả giữa phương pháp giải tích và mô hình số.
  • Mô phỏng số: Sử dụng phần mềm Plaxis để mô phỏng ứng suất, biến dạng và lún nền đường dẫn vào cầu trong các trường hợp chưa xử lý và đã gia cố bằng cọc đất xi măng.
  • Timeline nghiên cứu: Nghiên cứu được thực hiện trong năm 2017, bao gồm khảo sát thực địa, thí nghiệm phòng, tính toán thiết kế và mô phỏng số.

Cỡ mẫu thí nghiệm gồm nhiều mẫu đất trộn xi măng với các hàm lượng từ 5% đến 15%, được dưỡng hộ và thử nghiệm ở các ngày tuổi 7, 14 và 28 để đánh giá sự phát triển cường độ.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Hiện tượng lún nền đường dẫn vào cầu phổ biến và nghiêm trọng: Tại tỉnh Sóc Trăng, 43 cầu bị lún nền, trong đó 19 cầu phải bù lún hàng năm với mức độ từ 4 đến 7 cm, gây ảnh hưởng lớn đến an toàn giao thông và chi phí bảo trì.

  2. Hàm lượng xi măng tối ưu cho đất yếu khu vực nghiên cứu là khoảng 10%: Thí nghiệm nén đơn trục cho thấy mẫu đất trộn xi măng với hàm lượng 10% đạt cường độ chịu nén trung bình 1,2 MPa sau 28 ngày, tăng khoảng 3 lần so với đất tự nhiên.

  3. Giải pháp cọc đất xi măng giảm độ lún nền từ 46% so với nền chưa xử lý: Tính toán và mô phỏng bằng Plaxis cho thấy độ lún tổng cộng của nền đường dẫn giảm đáng kể khi gia cố bằng cọc đất xi măng với đường kính 0,8 m, chiều dài 15,5 m và khoảng cách bố trí hợp lý.

  4. Phương pháp thi công Jet Grouting đảm bảo chất lượng cọc và tiến độ thi công nhanh: Công nghệ trộn ướt (Wet Mixing) được áp dụng hiệu quả, tạo ra cọc có đường kính lớn, độ cứng cao, phù hợp với điều kiện địa chất phức tạp và không gian thi công hạn chế.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính của hiện tượng lún nền là do đặc tính đất yếu có hệ số rỗng lớn, độ bền thấp và áp lực nước lỗ rỗng tăng cao khi đắp nền. Việc sử dụng cọc đất xi măng cải thiện đáng kể sức chịu tải và giảm biến dạng nhờ tăng cường độ đất nền và giảm áp lực nước lỗ rỗng. Kết quả thí nghiệm và mô phỏng phù hợp với các nghiên cứu trong ngành, đồng thời khẳng định tính khả thi của giải pháp tại khu vực đồng bằng sông Cửu Long.

Biểu đồ cường độ chịu nén mẫu đất trộn xi măng theo ngày tuổi thể hiện sự tăng trưởng rõ rệt, minh chứng cho hiệu quả của việc lựa chọn hàm lượng xi măng tối ưu. Bảng so sánh độ lún nền trước và sau xử lý cho thấy sự giảm lún đáng kể, góp phần nâng cao độ bền và tuổi thọ công trình.

So với các phương pháp xử lý nền khác như đệm cát, giếng cát hay bắc thấm, cọc đất xi măng có ưu điểm vượt trội về khả năng xử lý sâu, thi công nhanh, phù hợp với điều kiện địa chất phức tạp và tiết kiệm chi phí. Tuy nhiên, phương pháp này đòi hỏi thiết bị chuyên dụng và kỹ thuật thi công cao, đồng thời cần kiểm soát chất lượng nghiêm ngặt.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Áp dụng rộng rãi giải pháp cọc đất xi măng cho nền đường dẫn vào cầu tại các vùng đất yếu: Đặc biệt tại tỉnh Sóc Trăng và đồng bằng sông Cửu Long, nhằm giảm lún lệch và tăng độ ổn định công trình trong vòng 1-2 năm tới.

  2. Tăng cường công tác khảo sát địa chất và thí nghiệm xác định hàm lượng xi măng tối ưu: Để đảm bảo hiệu quả xử lý nền, các chủ đầu tư và nhà thầu cần phối hợp thực hiện thí nghiệm mẫu đất trộn xi măng theo từng khu vực cụ thể trước khi thi công.

  3. Đào tạo và nâng cao năng lực kỹ thuật thi công công nghệ Jet Grouting: Tổ chức các khóa đào tạo chuyên sâu cho kỹ sư và công nhân thi công nhằm đảm bảo chất lượng cọc và tiến độ dự án, đồng thời giảm thiểu rủi ro trong quá trình thi công.

  4. Ứng dụng phần mềm mô phỏng Plaxis trong thiết kế và giám sát công trình: Sử dụng mô hình số để dự báo biến dạng, lún nền và tối ưu thiết kế cọc, giúp chủ đầu tư và kỹ sư có cơ sở khoa học trong việc lựa chọn giải pháp và kiểm soát chất lượng.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Chủ đầu tư và quản lý dự án xây dựng giao thông: Nhận biết các giải pháp xử lý nền đất yếu hiệu quả, giảm chi phí bảo trì và nâng cao tuổi thọ công trình.

  2. Kỹ sư thiết kế và tư vấn xây dựng: Áp dụng các phương pháp tính toán, mô hình hóa và lựa chọn công nghệ thi công phù hợp với điều kiện địa chất phức tạp.

  3. Nhà thầu thi công công trình nền móng: Nắm vững kỹ thuật thi công cọc đất xi măng bằng công nghệ Jet Grouting, đảm bảo chất lượng và tiến độ thi công.

  4. Các nhà nghiên cứu và sinh viên chuyên ngành Địa kỹ thuật xây dựng: Tham khảo các kết quả thí nghiệm, mô hình tính toán và ứng dụng thực tế trong xử lý nền đất yếu, phục vụ cho nghiên cứu và phát triển chuyên môn.

Câu hỏi thường gặp

  1. Cọc đất xi măng là gì và có ưu điểm gì so với các phương pháp khác?
    Cọc đất xi măng là hỗn hợp đất nền trộn với xi măng tạo thành cọc gia cố có độ cứng và sức chịu tải cao hơn đất tự nhiên. Ưu điểm gồm thi công nhanh, xử lý sâu đến 50m, phù hợp với nhiều loại đất yếu, tiết kiệm chi phí và giảm lún lệch hiệu quả.

  2. Hàm lượng xi măng tối ưu để trộn với đất yếu là bao nhiêu?
    Theo thí nghiệm, hàm lượng xi măng tối ưu tại khu vực nghiên cứu là khoảng 10%, giúp tăng cường độ chịu nén lên gấp 3 lần so với đất tự nhiên, đồng thời đảm bảo tính kinh tế và thi công thuận lợi.

  3. Công nghệ Jet Grouting có những dạng nào và ứng dụng ra sao?
    Jet Grouting gồm ba công nghệ chính: đơn pha, hai pha và ba pha, khác nhau về cách phun vữa, khí và nước. Công nghệ này tạo ra cọc có đường kính lớn, độ đồng đều cao, thích hợp với điều kiện thi công chật hẹp và địa chất phức tạp.

  4. Làm thế nào để tính toán độ lún nền sau khi gia cố bằng cọc đất xi măng?
    Độ lún được tính bằng mô hình phân lớp đất, cộng tổng lún cục bộ của khối gia cố và lún của đất nền xung quanh. Phần mềm Plaxis được sử dụng để mô phỏng và dự báo chính xác biến dạng nền trong các điều kiện tải trọng khác nhau.

  5. Những khó khăn và hạn chế khi áp dụng giải pháp cọc đất xi măng là gì?
    Khó khăn gồm yêu cầu thiết bị chuyên dụng, kỹ thuật thi công cao, chi phí đầu tư ban đầu lớn hơn một số phương pháp truyền thống, và cần kiểm soát chất lượng nghiêm ngặt để đảm bảo hiệu quả lâu dài.

Kết luận

  • Hiện tượng lún nền đường dẫn vào cầu tại tỉnh Sóc Trăng là vấn đề cấp thiết, ảnh hưởng đến an toàn và chi phí bảo trì công trình.
  • Giải pháp cọc đất xi măng với hàm lượng xi măng khoảng 10% được xác định là hiệu quả nhất trong việc cải thiện sức chịu tải và giảm lún nền.
  • Công nghệ Jet Grouting cho phép thi công nhanh, chất lượng cọc đồng đều, phù hợp với điều kiện địa chất phức tạp và không gian thi công hạn chế.
  • Mô phỏng bằng phần mềm Plaxis hỗ trợ thiết kế và dự báo biến dạng nền chính xác, giúp tối ưu hóa giải pháp xử lý nền.
  • Khuyến nghị áp dụng rộng rãi giải pháp này tại các vùng đất yếu, đồng thời tăng cường đào tạo kỹ thuật và kiểm soát chất lượng thi công để đảm bảo hiệu quả lâu dài.

Tiếp theo, cần triển khai các dự án thí điểm áp dụng công nghệ cọc đất xi măng tại các công trình trọng điểm, đồng thời phát triển hướng dẫn kỹ thuật và tiêu chuẩn thi công phù hợp với điều kiện Việt Nam. Chủ đầu tư và kỹ sư thiết kế được khuyến khích nghiên cứu sâu hơn về mô hình tính toán và ứng dụng phần mềm mô phỏng để nâng cao hiệu quả quản lý công trình.