Tổng quan nghiên cứu

Thành phố Hồ Chí Minh là trung tâm kinh tế, giao thông quan trọng của khu vực Đông Nam Á với hệ thống cảng biển và sân bay lớn nhất cả nước, trong đó cảng Sài Gòn có năng lực hoạt động khoảng 10 triệu tấn/năm và sân bay quốc tế Tân Sơn Nhất cách trung tâm thành phố chỉ 7 km. Để đáp ứng nhu cầu phát triển hạ tầng giao thông, dự án xây dựng đoạn tuyến nối từ đường Võ Văn Kiệt đến cao tốc TP. Hồ Chí Minh – Trung Lương đã được triển khai tại huyện Bình Chánh. Tuy nhiên, khu vực này nằm trên nền đất yếu có chiều dày lớp đất yếu lớn, gây ra nhiều khó khăn trong thi công và đảm bảo ổn định công trình.

Đất yếu tại khu vực này chủ yếu là bùn sét ở trạng thái dẻo chảy với sức chịu tải quy ước nhỏ hơn 1 daN/cm², hệ số rỗng lớn, môđun biến dạng thấp và độ nén lún cao. Nếu không xử lý đúng cách, nền đường đắp trên đất yếu sẽ gặp hiện tượng lún trồi, trượt sâu, ảnh hưởng nghiêm trọng đến độ bền và an toàn công trình. Mục tiêu nghiên cứu của luận văn là phân tích đặc điểm đất yếu khu vực, đánh giá các phương pháp xử lý nền đất yếu đã áp dụng và lựa chọn giải pháp xử lý phù hợp, hiệu quả về mặt kỹ thuật và kinh tế cho đoạn tuyến nối đường Võ Văn Kiệt – cao tốc TP. Hồ Chí Minh – Trung Lương.

Phạm vi nghiên cứu tập trung vào số liệu địa chất thực tế thu thập từ công trình đoạn tuyến nối, kết hợp với các tiêu chuẩn kỹ thuật và tài liệu khoa học trong và ngoài nước. Nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc đảm bảo ổn định nền đường, giảm thiểu lún sụt, tăng tuổi thọ công trình và góp phần phát triển hạ tầng giao thông bền vững tại TP. Hồ Chí Minh.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên các lý thuyết và mô hình tính toán nền đường đắp trên đất yếu, trong đó có:

  • Lý thuyết cố kết đất: Phân tích quá trình thoát nước và biến dạng của đất yếu dưới tải trọng đắp nền, bao gồm độ lún tức thời, lún cố kết sơ cấp và lún cố kết thứ cấp. Sử dụng các phương trình vi phân của Terzaghi và Carrillo để mô phỏng quá trình cố kết theo thời gian.

  • Phương pháp tính toán ổn định nền đường: Áp dụng phương pháp phân mảnh cổ điển và phương pháp Bishop để xác định hệ số ổn định trượt, đảm bảo hệ số ổn định tối thiểu từ 1,1 đến 1,4 tùy phương pháp.

  • Khái niệm và ứng dụng cọc đất gia cố xi măng: Cọc đất xi măng được tạo thành bằng cách trộn xi măng với đất yếu tại chỗ, tăng cường cường độ và giảm độ lún của nền đất. Các yếu tố ảnh hưởng đến cường độ cọc bao gồm tỷ lệ xi măng, công nghệ thi công (trộn khô hoặc trộn ướt), và đặc tính đất nền.

Các khái niệm chính bao gồm: đất yếu, độ lún cố kết, hệ số ổn định trượt, cọc đất gia cố xi măng, và mô hình phân tích ứng suất – biến dạng.

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu sử dụng phương pháp kết hợp giữa lý thuyết và thực nghiệm:

  • Nguồn dữ liệu: Số liệu địa chất khảo sát thực tế tại đoạn tuyến nối đường Võ Văn Kiệt – cao tốc TP. Hồ Chí Minh – Trung Lương, bao gồm các lớp đất, chỉ tiêu cơ lý, kết quả thí nghiệm xuyên tiêu chuẩn (SPT), và các thông số địa chất thủy văn.

  • Phương pháp phân tích: Sử dụng phần mềm Plaxis để mô phỏng và tính toán độ lún, hệ số ổn định nền đường với và không có giải pháp xử lý cọc đất xi măng. Phân tích so sánh các phương án xử lý nền đất yếu dựa trên tiêu chí kỹ thuật, thời gian thi công, chi phí và ảnh hưởng đến công trình lân cận.

  • Timeline nghiên cứu: Thu thập số liệu và tài liệu trong giai đoạn đầu, phân tích lý thuyết và mô hình trong giai đoạn giữa, thực hiện mô phỏng và đánh giá kết quả trong giai đoạn cuối cùng của quá trình nghiên cứu.

Cỡ mẫu khảo sát địa chất gồm nhiều lỗ khoan với chiều sâu và phân bố phù hợp để đại diện cho điều kiện đất yếu khu vực. Phương pháp chọn mẫu đảm bảo tính đại diện và độ tin cậy cao cho phân tích.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Đặc điểm đất yếu khu vực nghiên cứu: Đoạn tuyến đi qua lớp đất yếu bùn sét dẻo chảy với chiều dày lớp đất yếu trên 20 m, sức chịu tải quy ước R0 < 1 daN/cm², hệ số rỗng lớn (e ≥ 1,5), môđun biến dạng thấp (E0 ≈ 50 daN/cm²). Các lớp đất có giá trị thí nghiệm xuyên tiêu chuẩn (SPT) từ 8 đến 15, cho thấy đất rất yếu và dễ bị lún.

  2. Hiện trạng ổn định nền đường không xử lý: Mô phỏng bằng Plaxis cho thấy độ lún nền đường đắp không xử lý có thể vượt quá 30 cm trong vòng 15 năm, vượt giới hạn cho phép theo tiêu chuẩn thiết kế. Hệ số ổn định trượt trong quá trình thi công và khai thác nhỏ hơn 1,1, không đảm bảo an toàn công trình.

  3. Hiệu quả xử lý bằng cọc đất gia cố xi măng: Khi áp dụng giải pháp cọc đất xi măng, độ lún nền đường giảm đáng kể, chỉ còn khoảng 10-15 cm sau 15 năm, đáp ứng yêu cầu kỹ thuật. Hệ số ổn định trượt tăng lên trên 1,4, đảm bảo an toàn trong thi công và khai thác. Chi phí thi công khoảng 295 USD/m², cao hơn so với các phương pháp khác nhưng bù lại thời gian thi công nhanh và hiệu quả kỹ thuật cao.

  4. So sánh với các phương pháp khác: Phương pháp giếng cát và bấc thấm có chi phí thấp hơn (120-150 USD/m²) nhưng thời gian thi công kéo dài từ 6-8 tháng hoặc lâu hơn, không phù hợp với tiến độ dự án. Các phương pháp đệm cát, bệ phản áp không phù hợp với lớp đất yếu dày trên 20 m.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính khiến nền đất yếu khu vực có độ lún lớn và hệ số ổn định thấp là do đặc tính cơ lý của đất bùn sét mềm, có hàm lượng nước cao và môđun biến dạng thấp. Việc đắp nền đường làm tăng ứng suất trong đất vượt quá giới hạn chịu tải, gây ra hiện tượng lún trồi và trượt sâu.

Kết quả mô phỏng cho thấy giải pháp cọc đất gia cố xi măng không chỉ tăng cường cường độ đất nền mà còn giảm đáng kể độ lún và cải thiện ổn định trượt. So với các nghiên cứu trong ngành, kết quả này phù hợp với các công trình xử lý nền đất yếu tại TP. Hồ Chí Minh và các vùng đồng bằng sông Cửu Long, nơi đất yếu có đặc điểm tương tự.

Việc lựa chọn giải pháp cọc xi măng cũng phù hợp với yêu cầu tiến độ thi công nhanh, giảm thiểu ảnh hưởng đến các công trình lân cận và đảm bảo an toàn khai thác lâu dài. Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ độ lún theo thời gian và bảng so sánh hệ số ổn định giữa các phương án xử lý.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Áp dụng phương pháp cọc đất gia cố xi măng cho đoạn tuyến nối: Triển khai thi công cọc xi măng theo công nghệ trộn khô hoặc trộn ướt, đảm bảo tỷ lệ xi măng từ 7-15% phù hợp với đặc tính đất nền. Mục tiêu giảm độ lún còn dưới 15 cm trong vòng 15 năm, thời gian thi công dự kiến 3-4 tháng.

  2. Tăng cường giám sát và quan trắc nền đất trong quá trình thi công: Lắp đặt hệ thống quan trắc lún thẳng đứng và dịch chuyển ngang để kiểm soát tốc độ lún không vượt quá 10 mm/ngày và dịch chuyển ngang không vượt quá 5 mm/ngày, đảm bảo an toàn thi công.

  3. Đào tạo và nâng cao năng lực thi công cho đội ngũ kỹ thuật: Tổ chức các khóa đào tạo về công nghệ thi công cọc xi măng, kiểm soát chất lượng vật liệu và quy trình thi công nhằm đảm bảo hiệu quả và độ bền công trình.

  4. Xây dựng kế hoạch bảo trì và đánh giá định kỳ sau khi hoàn thành: Thiết lập lịch trình kiểm tra định kỳ nền đường, đánh giá hiệu quả xử lý đất yếu và kịp thời xử lý các hiện tượng bất thường để kéo dài tuổi thọ công trình.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Kỹ sư và nhà thiết kế công trình giao thông: Nghiên cứu cung cấp cơ sở khoa học và kỹ thuật để lựa chọn giải pháp xử lý nền đất yếu phù hợp, giúp thiết kế nền đường ổn định và bền vững.

  2. Chủ đầu tư và quản lý dự án xây dựng hạ tầng giao thông: Tham khảo để đánh giá chi phí, tiến độ và hiệu quả các phương án xử lý nền đất yếu, từ đó đưa ra quyết định đầu tư hợp lý.

  3. Nhà nghiên cứu và sinh viên ngành kỹ thuật xây dựng, địa kỹ thuật: Tài liệu tham khảo phong phú về lý thuyết cố kết đất, phương pháp xử lý đất yếu và ứng dụng công nghệ cọc xi măng trong thực tế.

  4. Các đơn vị thi công và tư vấn giám sát công trình: Hướng dẫn quy trình thi công, kiểm soát chất lượng và giám sát hiệu quả xử lý nền đất yếu, đảm bảo an toàn và chất lượng công trình.

Câu hỏi thường gặp

  1. Tại sao phải xử lý nền đất yếu trước khi đắp nền đường?
    Nền đất yếu có sức chịu tải thấp, độ nén lún lớn, nếu không xử lý sẽ gây lún sụt, trượt nền, ảnh hưởng đến an toàn và tuổi thọ công trình. Ví dụ, tại đoạn tuyến nghiên cứu, độ lún có thể vượt quá 30 cm nếu không xử lý.

  2. Phương pháp cọc đất gia cố xi măng có ưu điểm gì so với các phương pháp khác?
    Phương pháp này tăng cường cường độ đất nền, giảm độ lún và cải thiện ổn định trượt nhanh chóng, phù hợp với lớp đất yếu dày trên 20 m. Thời gian thi công nhanh hơn so với giếng cát hay bấc thấm, mặc dù chi phí cao hơn.

  3. Tỷ lệ xi măng trong cọc đất gia cố được xác định như thế nào?
    Tỷ lệ xi măng thường từ 7-15% tùy thuộc vào loại đất và yêu cầu cường độ. Tỷ lệ này được xác định qua thí nghiệm để đảm bảo cọc đạt cường độ và độ bền mong muốn.

  4. Làm thế nào để kiểm soát độ lún trong quá trình thi công?
    Lắp đặt hệ thống quan trắc lún thẳng đứng và dịch chuyển ngang, theo dõi tốc độ lún không vượt quá 10 mm/ngày và dịch chuyển ngang không vượt quá 5 mm/ngày, từ đó điều chỉnh biện pháp thi công kịp thời.

  5. Chi phí xử lý nền đất yếu bằng cọc xi măng so với các phương pháp khác như thế nào?
    Chi phí khoảng 295 USD/m², cao hơn so với giếng cát (150 USD/m²) và bấc thấm (120 USD/m²), nhưng bù lại thời gian thi công nhanh, hiệu quả kỹ thuật cao và giảm rủi ro kỹ thuật trong quá trình thi công.

Kết luận

  • Đoạn tuyến nối đường Võ Văn Kiệt – cao tốc TP. Hồ Chí Minh – Trung Lương đi qua vùng đất yếu bùn sét dẻo chảy với chiều dày lớp đất yếu trên 20 m, có đặc tính cơ lý rất yếu, gây ra hiện tượng lún trồi và trượt sâu nếu không xử lý.

  • Mô phỏng bằng phần mềm Plaxis cho thấy nền đường không xử lý có độ lún vượt quá 30 cm và hệ số ổn định trượt nhỏ hơn 1,1, không đảm bảo yêu cầu kỹ thuật.

  • Giải pháp cọc đất gia cố xi măng được lựa chọn là phương án tối ưu, giảm độ lún còn dưới 15 cm, tăng hệ số ổn định trượt trên 1,4, phù hợp với điều kiện địa chất và yêu cầu tiến độ thi công.

  • Phương pháp này có chi phí cao hơn các phương pháp truyền thống nhưng mang lại hiệu quả kỹ thuật và thời gian thi công nhanh, giảm thiểu rủi ro kỹ thuật.

  • Đề xuất triển khai thi công cọc xi măng kết hợp giám sát chặt chẽ, đào tạo nhân lực và xây dựng kế hoạch bảo trì định kỳ để đảm bảo hiệu quả lâu dài của công trình.

Call-to-action: Các đơn vị quản lý dự án và kỹ sư thiết kế nên áp dụng kết quả nghiên cứu này để nâng cao chất lượng và độ bền của các công trình giao thông xây dựng trên nền đất yếu tại TP. Hồ Chí Minh và các vùng tương tự.