Tổng quan nghiên cứu

Nền đất yếu, đặc biệt là đất than bùn và bùn sét, là thách thức lớn trong xây dựng công trình tại nhiều khu vực, trong đó có tỉnh Kiên Giang. Theo khảo sát địa chất, khu vực nghiên cứu có lớp bùn sét dày khoảng 2m, lớp than bùn hữu cơ dày 5m và lớp sét pha cát với chiều dày chưa xác định rõ. Các công trình xây dựng trên nền đất yếu thường gặp phải các vấn đề như sức chịu tải thấp, độ lún lớn và nguy cơ mất ổn định diện rộng, ảnh hưởng nghiêm trọng đến tuổi thọ và an toàn công trình. Mục tiêu của luận văn là nghiên cứu và đề xuất giải pháp gia cố nền đất yếu tại khu lấn biển Kiên Giang bằng phương pháp ổn định toàn khối, nhằm cải thiện đặc tính cơ lý của đất, giảm thiểu độ lún và tăng cường độ ổn định cho nền móng công trình giao thông cấp VI với tải trọng thiết kế 13 tấn, chiều dài đoạn xử lý khoảng 1,5 km.

Phạm vi nghiên cứu tập trung vào xử lý nền đất yếu tại Kiên Giang, với chiều sâu gia cố tối đa 5m, sử dụng các thiết bị trộn và bơm áp lực hiện đại. Giải pháp này không chỉ giúp tận dụng đất bùn phế thải, giảm thiểu ô nhiễm môi trường mà còn thay thế vật liệu cát tự nhiên khan hiếm, đặc biệt phù hợp với điều kiện địa chất phức tạp của Đồng bằng Sông Cửu Long. Việc áp dụng phương pháp ổn định toàn khối được kỳ vọng nâng cao hiệu quả thi công, rút ngắn thời gian xử lý và đảm bảo độ bền vững lâu dài cho các công trình xây dựng trên nền đất yếu.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên các lý thuyết và mô hình sau:

  • Lý thuyết ổn định nền đất yếu: Áp dụng phương pháp Bishop và phương pháp phân mảnh cổ điển để tính toán hệ số ổn định Kmin, đảm bảo Kmin ≥ 1 theo tiêu chuẩn Việt Nam và các quy trình thiết kế nền đường trên đất yếu.
  • Mô hình gia cố toàn khối (Massarsch và Topolnicki, 2005; EuroSoilStab, 2002): Phương pháp sử dụng chất liên kết (xi măng, vôi, tro bay) trộn đều với đất yếu để tạo thành khối đất có cường độ cao, ổn định về thể tích và cơ lý.
  • Khái niệm chính:
    • Ổn định toàn khối: Gia cố đồng nhất toàn bộ khối đất đến độ sâu thiết kế, cải thiện tính chất cơ lý.
    • Cường độ kháng nén (qu): Chỉ tiêu đánh giá sức chịu tải của đất gia cố.
    • Độ lún cố kết còn lại (ΔS): Độ lún cho phép tại tim nền đường sau khi hoàn thành công trình.
    • Hệ số ổn định (Kmin): Đánh giá khả năng chống trượt của nền đất.

Phương pháp nghiên cứu

  • Nguồn dữ liệu: Thu thập số liệu địa chất thực tế tại khu vực Kiên Giang, gồm phân lớp đất, đặc trưng cơ lý của đất nền và các mẫu đất gia cố.
  • Phương pháp phân tích:
    • Thí nghiệm xác định đặc trưng cơ lý của đất và hỗn hợp gia cường trong phòng thí nghiệm.
    • Mô phỏng tính toán ổn định nền đường bằng phần mềm Geoslope, phân tích các bài toán về bề rộng, chiều cao và chiều sâu khối gia cố.
    • So sánh hiệu quả phương pháp ổn định toàn khối với các phương pháp truyền thống như cọc xi măng đất và lớp đệm cát.
  • Timeline nghiên cứu: Nghiên cứu thực hiện trong năm 2016-2017, bao gồm khảo sát hiện trường, thí nghiệm phòng lab, mô phỏng tính toán và đề xuất giải pháp.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Cường độ kháng nén của đất gia cố: Hỗn hợp đất và xi măng đạt cường độ kháng nén qu tăng dần theo thời gian, đạt mức từ 150 kPa đến 300 kPa sau 1-3 tháng, tùy thuộc hàm lượng xi măng sử dụng. Ví dụ, khi hàm lượng xi măng đạt 8%, qu đạt khoảng 280 kPa.
  2. Hệ số ổn định nền đất: Mô phỏng bằng Geoslope cho thấy hệ số ổn định Kmin tăng từ 0,8 (nền đất yếu chưa gia cố) lên trên 1,5 khi áp dụng phương pháp ổn định toàn khối với chiều sâu gia cố 5m và bề rộng khối gia cố từ 8m đến 12m.
  3. Độ lún tổng cộng giảm đáng kể: So với phương pháp đệm cát, độ lún tổng cộng của nền đất gia cố ổn định toàn khối giảm khoảng 30-40%, từ mức 33,89 cm xuống còn khoảng 20 cm, đảm bảo yêu cầu kỹ thuật theo tiêu chuẩn Việt Nam.
  4. Hiệu quả thi công và năng suất: Năng suất thi công đạt khoảng 100-150 m3/h đối với đất than bùn, cao hơn so với các phương pháp truyền thống, giúp rút ngắn thời gian thi công và giảm chi phí vận chuyển vật liệu.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính của sự cải thiện này là do phương pháp ổn định toàn khối tạo ra một lớp đất đồng nhất, có cường độ cao và khả năng chống cắt tốt hơn, hạn chế hiện tượng lún không đều và trượt sâu. Kết quả mô phỏng và thí nghiệm phù hợp với các nghiên cứu quốc tế về ổn định đất bằng xi măng và vôi, đồng thời vượt trội hơn so với các phương pháp gia cố truyền thống như lớp đệm cát hay cọc ngắn. Việc sử dụng thiết bị trộn và bơm áp lực hiện đại giúp đảm bảo chất lượng trộn đồng đều và kiểm soát tốt quá trình thi công. Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ quan hệ giữa hàm lượng xi măng và cường độ kháng nén, biểu đồ hệ số ổn định theo chiều sâu và bề rộng khối gia cố, cũng như bảng so sánh độ lún giữa các phương pháp.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Áp dụng rộng rãi phương pháp ổn định toàn khối tại các vùng đất yếu: Đặc biệt tại Đồng bằng Sông Cửu Long và các khu vực có đất than bùn, nhằm nâng cao hiệu quả xử lý nền, giảm thiểu sử dụng cát tự nhiên khan hiếm. Thời gian thực hiện: 1-3 năm; Chủ thể: các nhà thầu xây dựng và cơ quan quản lý xây dựng.
  2. Xây dựng quy trình kỹ thuật và tiêu chuẩn áp dụng cho phương pháp ổn định toàn khối: Bao gồm hướng dẫn lựa chọn vật liệu liên kết, thiết bị thi công và kiểm soát chất lượng. Thời gian: 1 năm; Chủ thể: Bộ Xây dựng, Viện Khoa học Công nghệ Xây dựng.
  3. Đào tạo và chuyển giao công nghệ cho đội ngũ kỹ sư, công nhân thi công: Đảm bảo kỹ thuật thi công đạt chuẩn, nâng cao năng suất và chất lượng công trình. Thời gian: 6-12 tháng; Chủ thể: các trường đại học, trung tâm đào tạo nghề.
  4. Tăng cường quan trắc và đánh giá hiệu quả sau thi công: Thiết lập hệ thống quan trắc lún, áp lực nước lỗ rỗng và chuyển vị ngang để theo dõi ổn định nền đất trong quá trình khai thác công trình. Thời gian: liên tục trong quá trình vận hành; Chủ thể: chủ đầu tư, đơn vị giám sát.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Kỹ sư xây dựng và địa kỹ thuật: Nắm bắt công nghệ gia cố nền đất yếu mới, áp dụng trong thiết kế và thi công các công trình giao thông, dân dụng.
  2. Chủ đầu tư và nhà thầu xây dựng: Hiểu rõ ưu nhược điểm các phương pháp xử lý nền, lựa chọn giải pháp tối ưu về chi phí và hiệu quả.
  3. Cơ quan quản lý xây dựng và ban ngành liên quan: Tham khảo để xây dựng tiêu chuẩn, quy trình kỹ thuật và chính sách phát triển công nghệ xử lý nền đất yếu.
  4. Giảng viên và sinh viên ngành kỹ thuật xây dựng: Tài liệu tham khảo nghiên cứu, giảng dạy về công nghệ gia cố nền đất yếu và ứng dụng thực tiễn.

Câu hỏi thường gặp

  1. Phương pháp ổn định toàn khối là gì?
    Phương pháp này sử dụng chất liên kết như xi măng hoặc vôi trộn đều với đất yếu để tạo thành khối đất có cường độ cao, ổn định về thể tích, giúp giảm lún và tăng sức chịu tải của nền đất.

  2. Ưu điểm của phương pháp này so với các phương pháp truyền thống?
    Ổn định toàn khối giúp cải thiện đồng đều đặc tính đất, giảm độ lún khoảng 30-40%, tiết kiệm vật liệu và thời gian thi công, đồng thời tận dụng được đất bùn phế thải.

  3. Phạm vi áp dụng của phương pháp ổn định toàn khối?
    Phù hợp với các vùng đất yếu có lớp than bùn, bùn sét dày từ 3-8m, đặc biệt tại các khu vực lấn biển, đồng bằng sông ngập nước và các công trình giao thông, cảng biển.

  4. Thiết bị thi công gồm những gì?
    Bao gồm máy đào gắn thiết bị trộn có trống xoay, hệ thống bơm áp lực để đưa chất liên kết vào đất, hệ thống kiểm soát và thu thập dữ liệu để đảm bảo chất lượng thi công.

  5. Làm thế nào để kiểm soát chất lượng công trình sau thi công?
    Thiết lập hệ thống quan trắc lún, áp lực nước lỗ rỗng và chuyển vị ngang theo quy trình kỹ thuật, đảm bảo hệ số ổn định Kmin ≥ 1 và độ lún nằm trong giới hạn cho phép.

Kết luận

  • Phương pháp ổn định toàn khối là giải pháp hiệu quả, kinh tế để gia cố nền đất yếu tại khu vực Kiên Giang, đặc biệt với đất than bùn dày 5m.
  • Nghiên cứu đã chứng minh cường độ kháng nén của đất gia cố tăng lên đáng kể, hệ số ổn định nền đạt trên 1,5, độ lún giảm khoảng 30-40% so với phương pháp truyền thống.
  • Thiết bị thi công hiện đại giúp nâng cao năng suất, rút ngắn thời gian thi công và kiểm soát chất lượng đồng đều.
  • Đề xuất xây dựng tiêu chuẩn kỹ thuật, đào tạo nhân lực và tăng cường quan trắc để ứng dụng rộng rãi công nghệ này tại Việt Nam.
  • Các bước tiếp theo bao gồm hoàn thiện quy trình kỹ thuật, thử nghiệm thực địa quy mô lớn và chuyển giao công nghệ cho các đơn vị thi công.

Hành động ngay: Các nhà quản lý và kỹ sư xây dựng nên nghiên cứu và áp dụng phương pháp ổn định toàn khối để nâng cao chất lượng công trình trên nền đất yếu, đồng thời góp phần bảo vệ tài nguyên và môi trường.