Tổng quan nghiên cứu

Quá trình đô thị hóa tại tỉnh An Giang đang diễn ra mạnh mẽ với tỷ lệ đô thị hóa vượt mức 35%, kéo theo nhu cầu xây dựng nhà ở dân dụng gia tăng nhanh chóng, trung bình mỗi năm cần xây mới từ 4.372 đến 6.066 căn nhà. Trong đó, nhu cầu giải quyết chỗ ở an toàn cho các hộ nghèo và gia đình chính sách chiếm khoảng 19% tổng diện tích sàn xây dựng mới, tương đương trên 8.410 căn nhà theo các chương trình an sinh xã hội của Chính phủ. Đặc thù địa hình khu vực đầu nguồn sông Cửu Long chịu ảnh hưởng ngập lũ sâu từ 1,0 m đến 2,5 m trong khoảng thời gian từ 2,5 đến 5 tháng mỗi năm. Để tôn cao mặt bằng vượt lũ, các công trình xây dựng bắt buộc phải đắp lớp cát san lấp dày từ 2,5 m đến 5,0 m trên nền đất bùn sét yếu chiếm 44,5% diện tích tự nhiên toàn tỉnh.

Các giải pháp móng truyền thống như cọc bê tông cốt thép chịu tải từ 20 đến 40 tấn mỗi cọc thường có chi phí đầu tư rất lớn, trong khi móng cừ tràm với mật độ 16 đến 25 cây trên một mét vuông chỉ phát huy hiệu quả khi ngập nước liên tục và không thể thi công trong tầng cát chặt. Móng cừ đá chẻ với mật độ 9 cây trên một mét vuông lại tiềm ẩn nguy cơ nứt gãy và khó kiểm soát chất lượng khi soi nước trong nền cát. Luận văn tập trung nghiên cứu giải pháp gia cố nền đất yếu có cát san lấp bằng túi D - BOX cho công trình nhà ở thấp tầng cao từ 2 đến 4 tầng tại An Giang trong giai đoạn 2016 đến 2018. Kết quả nghiên cứu mang lại ý nghĩa thực tiễn to lớn khi giúp tăng sức chịu tải của nền đất lên gấp 2 đến 3 lần, giảm độ lún công trình hơn 50%, đồng thời cắt giảm từ 58% đến 90% lượng phát thải khí nhà kính so với các giải pháp gia cố nền móng sử dụng xi măng truyền thống.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu được xây dựng dựa trên lý thuyết cơ học đất đàn dẻo Mohr - Coulomb kết hợp với nguyên lý hiệu ứng giam giữ ứng suất ba trục của vật liệu hạt bọc trong vải địa kỹ thuật. Khung lý thuyết tập trung phân tích 4 khái niệm cốt lõi bao gồm: ứng suất hữu hiệu của đất, góc ma sát trong của vật liệu hạt, lực dính biểu kiến sinh ra do sức căng vỏ bao, và hệ số áp lực đất chủ động.

Khi công trình tác dụng tải trọng thẳng đứng xuống móng, vật liệu rời bên trong túi D - BOX có xu hướng giãn nở hông. Vỏ bao địa kỹ thuật Polypropylene có độ bền kéo cao từ 30 đến 40 N/mm2 và độ giãn dài từ 250% đến 700% sẽ phát sinh lực kéo căng cưỡng bức, tạo ra ứng suất nén hông bổ sung tác dụng ngược lại vào các hạt vật liệu. Nhờ cơ chế này, vật liệu hạt rời như cát hoặc phế thải xây dựng được chuyển hóa thành một khối vật liệu có lực dính giả định, giúp gia tăng đáng kể mô đun biến dạng và sức kháng cắt tổng thể của kết cấu đệm móng. Đồng thời, cấu trúc dệt cho phép nước lỗ rỗng thoát nhanh khi chịu áp lực mà không làm trôi hạt mịn, duy trì trạng thái ứng suất hữu hiệu cao và triệt tiêu nguy cơ hóa lỏng nền.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu của luận văn được thu thập thông qua chuỗi khảo sát địa kỹ thuật hiện trường kết hợp thí nghiệm trong phòng do Phòng kiểm định LAS-XD 339 và Sở Xây dựng An Giang phối hợp thực hiện. Cỡ mẫu nghiên cứu bao gồm các mẫu đất nguyên dạng và không nguyên dạng được lấy tại các hố khoan địa chất có lớp cát san lấp dày từ 2,5 m đến 5,0 m nằm trên lớp bùn sét yếu dày hơn 10 m, kết hợp thử nghiệm xuyên tiêu chuẩn SPT dọc theo chiều sâu hố khoan. Phương pháp chọn mẫu tuân thủ nghiêm ngặt tiêu chuẩn xây dựng hiện hành nhằm phản ánh chính xác địa tầng đại diện của các khu dân cư vượt lũ.

Để kiểm chứng ứng xử cơ học thực tế, tác giả lựa chọn phương pháp thí nghiệm bàn nén tĩnh hiện trường với tấm nén thép diện tích 5000 cm2 (kích thước 70,71 x 70,70 cm) trên 3 mô hình thực nghiệm: nền đất tự nhiên, nền gia cố 1 bao D - BOX kích thước 1000 x 1000 x 250 mm, và nền gia cố 5 bao D - BOX xếp chồng 2 tầng (4 bao lớp dưới và 1 bao lớp trên). Lý do lựa chọn thí nghiệm bàn nén phẳng vì đây là phương pháp có độ tin cậy cao nhất để xác định trực tiếp đường cong quan hệ tải trọng và độ lún của móng nông. Sau đó, phần mềm phần tử hữu hạn Plaxis 2D được sử dụng để mô phỏng số học toàn bộ quá trình gia tải từng cấp, làm cơ sở so sánh đối chứng giữa lý thuyết và thực nghiệm trong suốt tiến trình nghiên cứu kéo dài 78 trang thuyết minh.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Thực nghiệm nén tĩnh tại hiện trường và phân tích mô phỏng số đã chỉ ra 4 phát hiện quan trọng về hiệu quả cơ lý của giải pháp túi D - BOX:

Thứ nhất, khả năng chịu tải giới hạn của nền đất sau khi gia cố bằng bao D - BOX tăng từ 2 đến 3 lần so với nền đất tự nhiên chưa xử lý. Trên mô hình thực nghiệm, sức chịu tải giới hạn tăng vọt từ mức 70 kPa ở nền đất cát tự nhiên lên 170 kPa đối với phương án gia cố 1 bao D - BOX, và đạt tới 240 kPa đối với phương án gia cố 5 bao D - BOX xếp 2 tầng.

Thứ hai, giải pháp 5 bao D - BOX hai lớp giúp giảm độ lún tổng thể của nền móng hơn 52% dưới cùng một cấp tải trọng thiết kế công trình. Quá trình lún cố kết diễn ra nhanh và sớm đạt trạng thái ổn định biến dạng chỉ sau một thời gian ngắn gia tải.

Thứ ba, cường độ chịu nén của khối bao D - BOX chứa sỏi cát đầm chặt đạt xấp xỉ 3 MPa, tương đương 10% cường độ chịu nén của bê tông thông thường mác thấp, trong khi trọng lượng bản thân nhẹ hơn đáng kể và có khả năng triệt tiêu rung chấn động năng truyền từ mặt đất.

Thứ tư, công nghệ D - BOX thể hiện tính thích ứng vượt trội về mặt môi trường và kinh tế khi có thể tận dụng 100% cát san lấp tại chỗ hoặc xà bần phế thải xây dựng làm vật liệu độn, giúp giảm thiểu từ 58% đến 90% lượng khí thải carbon so với việc sản xuất và vận chuyển cọc bê tông cốt thép đúc sẵn.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính dẫn đến sự gia tăng vượt bậc về sức chịu tải và khả năng kháng lún là do hiệu ứng khóa hạt và phân bố ứng suất dạng bong bóng ba chiều dưới đáy móng. Vỏ bao dệt Polypropylene hoạt động như một màng liên kết cưỡng bức, ngăn chặn hiện tượng trượt trồi của các hạt cát sang hai bên hông móng khi chịu tải trọng thẳng đứng. Dưới tác dụng của kích thủy lực, nước tự do trong các lỗ rỗng của đất nền bên dưới bị ép thoát nhanh vào túi D - BOX và tiêu tán ra ngoài, thúc đẩy quá trình cố kết nội tại diễn ra tức thì ngay trong giai đoạn thi công.

Trên các biểu đồ quan hệ áp lực và độ lún (đường cong P - S), giai đoạn đầu thể hiện đoạn biến dạng đàn hồi có độ dốc rất lớn, chứng tỏ độ cứng của nền móng tăng lên rõ rệt. Khi tải trọng tăng cao, đường cong chuyển vị của phương án 5 bao D - BOX duy trì độ dốc thoai thoải và không xuất hiện điểm gãy sụp đột ngột như ở nền đất tự nhiên. Kết quả so sánh giữa số liệu đo đạc thực tế từ đồng hồ thiên phân kế và kết quả mô phỏng bằng phần mềm Plaxis 2D cho thấy độ sai lệch chuyển vị thẳng đứng chỉ dao động trong khoảng từ 5% đến 8%. Sự trùng khớp này khẳng định mô hình đất Mohr - Coulomb hoàn toàn phản ánh chính xác sự tương tác phức tạp giữa vỏ bao địa kỹ thuật và cốt liệu cát san lấp tại An Giang.

Đề xuất và khuyến nghị

Dựa trên các kết quả nghiên cứu thực nghiệm và mô phỏng số, luận văn đưa ra 4 khuyến nghị hành động cụ thể nhằm chuẩn hóa và ứng dụng rộng rãi giải pháp D - BOX:

Thứ nhất, ban hành hướng dẫn kỹ thuật thiết kế và thi công móng nông bằng túi D - BOX cho các công trình nhà ở từ 1 đến 4 tầng trên nền cát san lấp vượt lũ, hướng tới mục tiêu cắt giảm ít nhất 30% tổng chi phí xây dựng phần móng so với móng cọc ép bê tông, hoàn thành trong vòng 6 tháng do Sở Xây dựng tỉnh An Giang chủ trì phối hợp cùng các đơn vị tư vấn thiết kế địa phương.

Thứ hai, áp dụng rộng rãi sơ đồ bố trí 5 bao D - BOX hai lớp (kích thước mỗi bao 1000 x 1000 x 250 mm) cho các dự án khu dân cư tái định cư và cụm tuyến dân cư vượt lũ nhằm đảm bảo kiểm soát độ lún công trình dưới 4,5 cm trong suốt chu kỳ sử dụng 50 năm, triển khai ngay từ quý 1 năm 2019 bởi các Ban Quản lý Dự án Đầu tư Xây dựng công trình dân dụng.

Thứ ba, tận dụng tối đa nguồn cát san lấp tại chỗ hoặc tái chế xà bần, bê tông vụn từ các công trình cải tạo làm vật liệu độn túi D - BOX nhằm giảm 70% lượng rác thải rắn xây dựng phát sinh ra môi trường, thực hiện xuyên suốt quá trình lập dự toán và biện pháp thi công bởi các nhà thầu xây dựng.

Thứ tư, thiết lập quy trình kiểm tra chất lượng vật liệu vỏ bao địa kỹ thuật với các chỉ tiêu bắt buộc gồm độ bền kéo tối thiểu 30 N/mm2 và điểm nóng chảy trên 160 độ C, đồng thời kiểm soát độ đầm chặt lớp đệm bao bằng thiết bị lu rung hoặc đầm cóc chuyên dụng trước khi đổ bê tông giằng móng, thực hiện định kỳ theo từng đợt nghiệm thu bởi các phòng thí nghiệm kiểm định chuyên ngành xây dựng.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

Luận văn là tài liệu tham khảo chuyên môn giá trị cao dành cho 4 nhóm đối tượng cụ thể sau:

Nhóm thứ nhất là các kỹ sư kết cấu và địa kỹ thuật: Tài liệu cung cấp trọn bộ phương pháp tính toán sức chịu tải, cách xác định hệ số lực dính biểu kiến của túi đất, cùng quy trình khai báo thông số vật liệu chính xác trong phần mềm Plaxis 2D phục vụ thiết kế móng nhà dân dụng trên nền cát đắp.

Nhóm thứ hai là các chủ đầu tư và ban quản lý dự án nhà ở xã hội: Cung cấp cơ sở khoa học và bài toán so sánh kinh tế kỹ thuật rõ ràng để phê duyệt giải pháp móng thay thế giúp rút ngắn 40% tiến độ thi công và tiết kiệm hàng tỷ đồng ngân sách xây dựng hạ tầng tái định cư vùng ngập lũ.

Nhóm thứ ba là các nhà thầu và cán bộ giám sát thi công hiện trường: Nắm bắt chi tiết quy trình may bao, đổ vật liệu độn, xếp đặt bao đơn và cụm bao nhiều lớp, cũng như các lưu ý kiểm soát dung trọng đầm nén mà không cần sử dụng máy móc cơ giới hạng nặng.

Nhóm thứ tư là giảng viên, học viên cao học và sinh viên chuyên ngành Xây dựng công trình: Sử dụng làm tài liệu học tập chuyên sâu với hệ thống 59 hình ảnh minh họa chi tiết, 18 biểu đồ ứng suất biến dạng thực nghiệm và 10 bảng tổng hợp số liệu địa chất thực tế tại khu vực Đồng bằng sông Cửu Long.

Câu hỏi thường gặp

Túi D - BOX hoạt động theo nguyên lý cơ học nào để tăng sức chịu tải cho nền đất yếu? Túi D - BOX hoạt động dựa trên nguyên lý giam giữ ứng suất ba trục nhờ vỏ bọc địa kỹ thuật Polypropylene có độ bền kéo cao từ 30 đến 40 N/mm2. Khi tải trọng thẳng đứng tác dụng, lực căng thành túi tạo ra áp lực nén hông cưỡng bức, làm tăng ma sát giữa các hạt cát rời bên trong và hình thành lực dính biểu kiến, biến khối bao thành một khối đệm bán cứng chịu nén tới 3 MPa.

Khả năng chịu lực của móng túi D - BOX có bị suy giảm trong mùa ngập lũ hàng năm không? Khả năng chịu lực của móng D - BOX hoàn toàn không bị suy giảm khi ngập nước nhờ tính năng thấm lọc đặc thù của vải dệt địa kỹ thuật. Nước trong các lỗ rỗng dễ dàng thoát qua màng lọc trong khi các hạt cát được giữ lại nguyên vẹn, giúp tiêu tán nhanh áp lực nước lỗ rỗng và duy trì trạng thái ứng suất hữu hiệu ổn định suốt mùa lũ kéo dài từ 2,5 đến 5 tháng tại An Giang.

Vì sao giải pháp D - BOX lại tối ưu hơn phương án đóng cọc cừ tràm truyền thống trên nền cát đắp? Cừ tràm đòi hỏi mật độ đóng dày từ 16 đến 25 cọc trên một mét vuông và bắt buộc phải nằm dưới mực nước ngầm cố định để tránh mục nát, đồng thời rất khó đóng ngập vào tầng cát san lấp dày từ 2,5 m đến 5,0 m. Ngược lại, D - BOX được đặt trực tiếp trên lớp cát đắp, không bị phân hủy sinh học khi mực nước ngầm hạ thấp và tăng sức chịu tải gấp 2 đến 3 lần.

Có thể sử dụng các loại phế thải xây dựng để làm vật liệu độn trong túi D - BOX được không? Hoàn toàn có thể tận dụng các nguồn phế thải xây dựng như bê tông tái chế, vữa xà bần nghiền nhỏ, đá dăm vụn hoặc gạch ngói vỡ làm vật liệu độn bên trong túi D - BOX. Giải pháp này vừa đảm bảo góc ma sát trong của khối độn đạt trên 40 độ, vừa giúp giảm tối đa chi phí mua vật liệu mới và cắt giảm từ 58% đến 90% lượng khí thải carbon ra môi trường xung quanh.

Quy trình kiểm soát chất lượng thi công móng túi D - BOX ngoài hiện trường gồm những bước nào? Kỹ sư cần kiểm định chứng chỉ xuất xưởng của vỏ bao Polypropylene đảm bảo độ giãn dài từ 250% đến 700%, kiểm tra kích thước hình học túi đạt chuẩn 1000 x 1000 x 250 mm, giám sát công tác đầm chặt vật liệu độn theo từng lớp, và tiến hành kiểm tra độ lún bằng bàn nén tĩnh diện tích 5000 cm2 trước khi lắp đặt hệ cốp pha đổ giằng móng công trình.

Kết luận

  • Luận văn đã chứng minh tính khả thi kỹ thuật và hiệu quả kinh tế vượt trội của giải pháp gia cố nền cát san lấp trên đất yếu bằng túi D - BOX cho nhà ở thấp tầng dưới 5 tầng tại tỉnh An Giang.
  • Nền móng gia cố bằng 5 bao D - BOX hai lớp giúp tăng sức chịu tải giới hạn lên 240 kPa (gấp hơn 3 lần nền tự nhiên) và giảm độ lún công trình trên 52%.
  • Giải pháp cho phép tận dụng triệt để vật liệu cát tại chỗ và phế thải xây dựng, giúp hạ giá thành xây lắp phần móng và giảm phát thải khí nhà kính từ 58% đến 90%.
  • Mô hình phần tử hữu hạn trên phần mềm Plaxis 2D sử dụng tiêu chuẩn Mohr - Coulomb phản ánh chính xác ứng xử cơ lý của túi D - BOX với độ sai lệch so với nén tĩnh hiện trường dưới 8%.
  • Cung cấp bộ hướng dẫn thực hành và cơ sở khoa học hoàn chỉnh để các kỹ sư tự tin thiết kế móng nông an toàn, kinh tế tại các vùng ngập lũ Đồng bằng sông Cửu Long.

Trong giai đoạn tiếp theo, các viện nghiên cứu và doanh nghiệp xây dựng cần mở rộng mô hình tính toán 3D và thử nghiệm giải pháp trên nhiều loại địa chất bùn sét ven biển. Hãy áp dụng ngay công nghệ móng D - BOX vào các dự án khu dân cư và nhà ở xã hội để tối ưu hóa chi phí đầu tư và nâng cao chất lượng bền vững cho mọi công trình.