Tổng quan nghiên cứu

Trong những năm gần đây, khu vực Đồng bằng sông Cửu Long nói chung và thành phố Cần Thơ nói riêng đang đối mặt với vấn đề lún không đều giữa đường dẫn cầu và mố cầu trên nền đất yếu. Đặc điểm của đất tại đây là độ cắt nhỏ, khả năng nén lớn, độ thấm thấp, dẫn đến hiện tượng lún lớn và không đồng đều, ảnh hưởng nghiêm trọng đến kết cấu hạ tầng giao thông. Theo ước tính, mức lún có thể lên đến hàng chục cm, gây mất an toàn và giảm tuổi thọ công trình. Mục tiêu nghiên cứu là ứng dụng cọc xi măng đất nhằm xử lý hiện tượng lún không đều này, cụ thể tại đường dẫn cầu Bồn Tòng, thành phố Cần Thơ, trong giai đoạn từ năm 2017 đến 2019. Nghiên cứu nhằm nâng cao độ bền nén đơn trội của đất nền, giảm thiểu lún không đều, đồng thời đề xuất giải pháp thi công phù hợp với điều kiện địa phương. Kết quả nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc cải thiện chất lượng và độ bền của các công trình giao thông trên nền đất yếu, góp phần phát triển bền vững hạ tầng vùng Đồng bằng sông Cửu Long.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu dựa trên hai lý thuyết chính: lý thuyết ứng xử đất theo mô hình Mohr-Coulomb và lý thuyết truyền tải ứng suất trong đất gia cố bằng cọc xi măng. Mô hình Mohr-Coulomb được sử dụng để mô phỏng ứng xử cơ học của đất nền yếu, với các tham số chính gồm: độ bền cắt (c), góc ma sát trong (φ), mô đun đàn hồi (E), và hệ số Poisson (ν). Lý thuyết truyền tải ứng suất giúp phân tích cơ chế truyền tải lực từ cọc xi măng đất xuống nền đất xung quanh, qua đó đánh giá hiệu quả gia cố. Các khái niệm chuyên ngành quan trọng bao gồm: sức chịu tải cọc xi măng đất, độ lún tổng thể và lún không đều, hệ số gia cố đất, và mô đun đàn hồi hiệu quả của đất gia cố.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu chính được thu thập từ các thí nghiệm nén đơn trội trên mẫu đất gia cố xi măng với các tỷ lệ xi măng khác nhau, cùng với số liệu quan trắc lún thực tế tại công trình cầu Bồn Tòng. Cỡ mẫu thí nghiệm khoảng 30 mẫu đất được lấy từ vị trí thi công thực tế, đảm bảo tính đại diện. Phương pháp phân tích bao gồm mô phỏng số bằng phần mềm PLAXIS 2D theo mô hình Mohr-Coulomb, kết hợp với phân tích số liệu thí nghiệm và quan trắc thực địa. Quá trình nghiên cứu diễn ra trong khoảng thời gian 18 tháng, từ đầu năm 2018 đến giữa năm 2019, bao gồm các bước: khảo sát hiện trạng, thí nghiệm mẫu, mô phỏng số, và đánh giá kết quả.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Tăng cường sức chịu nén của đất nền: Sau khi gia cố bằng xi măng với hàm lượng 15% (tương đương 220 kg xi măng/m³ đất tự nhiên), sức chịu nén đơn trội của mẫu đất đạt khoảng 975 kN/m² sau 28 ngày, tăng gấp 40-50 lần so với đất tự nhiên. Khi hàm lượng xi măng vượt quá 13%, tốc độ tăng sức chịu nén giảm rõ rệt.

  2. Giảm lún không đều: Mô phỏng số cho thấy, việc sử dụng cọc xi măng đất làm giảm lún không đều giữa đường dẫn và mố cầu từ khoảng 12 cm xuống còn dưới 3 cm, tương đương giảm hơn 75%. Điều này giúp cải thiện sự ổn định và an toàn của công trình.

  3. Hiệu quả truyền tải ứng suất: Cọc xi măng đất truyền tải ứng suất hiệu quả xuống nền đất xung quanh, làm tăng mô đun đàn hồi hiệu quả của nền đất từ khoảng 6,3 kN/m² lên trên 20 kN/m², góp phần giảm biến dạng và lún.

  4. Tối ưu hàm lượng xi măng: Hàm lượng xi măng 15% được xác định là phù hợp nhất cho điều kiện đất tại Cần Thơ, cân bằng giữa hiệu quả gia cố và chi phí thi công.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính của sự cải thiện sức chịu nén và giảm lún không đều là do sự hình thành mạng lưới xi măng trong đất, tăng cường liên kết hạt đất và giảm độ nén. Kết quả mô phỏng phù hợp với số liệu thí nghiệm và quan trắc thực tế, khẳng định tính khả thi của phương pháp gia cố bằng cọc xi măng đất. So với các nghiên cứu trước đây tại các vùng đất yếu khác, kết quả này cho thấy hiệu quả vượt trội nhờ lựa chọn hàm lượng xi măng tối ưu và kỹ thuật thi công phù hợp. Biểu đồ sức chịu nén theo hàm lượng xi măng và bảng so sánh lún trước và sau gia cố minh họa rõ ràng hiệu quả của giải pháp.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Áp dụng cọc xi măng đất với hàm lượng xi măng 15% cho các công trình đường bộ và cầu trên nền đất yếu tại Đồng bằng sông Cửu Long nhằm nâng cao sức chịu tải và giảm lún không đều. Thời gian thực hiện: ngay trong các dự án xây dựng mới.

  2. Triển khai mô phỏng số bằng phần mềm PLAXIS 2D để đánh giá trước hiệu quả gia cố và tối ưu thiết kế cọc xi măng đất cho từng công trình cụ thể. Chủ thể thực hiện: các đơn vị tư vấn thiết kế, thời gian: trước khi thi công.

  3. Tăng cường giám sát và quan trắc lún thực tế trong và sau thi công để điều chỉnh kịp thời các biện pháp thi công, đảm bảo chất lượng công trình. Chủ thể thực hiện: chủ đầu tư và nhà thầu, thời gian: suốt quá trình thi công và vận hành.

  4. Đào tạo kỹ thuật thi công cọc xi măng đất cho đội ngũ thi công nhằm đảm bảo thi công đúng quy trình, nâng cao hiệu quả và giảm chi phí phát sinh. Chủ thể thực hiện: các trường đại học, trung tâm đào tạo nghề, thời gian: liên tục.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Chuyên gia và kỹ sư xây dựng cầu đường: Nghiên cứu cung cấp cơ sở khoa học và giải pháp kỹ thuật gia cố nền đất yếu hiệu quả, giúp thiết kế và thi công công trình bền vững.

  2. Các nhà quản lý dự án hạ tầng giao thông: Tham khảo để đưa ra quyết định đầu tư và lựa chọn công nghệ xử lý nền đất phù hợp, giảm thiểu rủi ro và chi phí bảo trì.

  3. Giảng viên và sinh viên ngành kỹ thuật xây dựng: Tài liệu tham khảo quý giá về ứng dụng thực tiễn mô hình Mohr-Coulomb và công nghệ cọc xi măng đất trong xử lý nền đất yếu.

  4. Các nhà nghiên cứu địa kỹ thuật: Cung cấp dữ liệu thực nghiệm và mô hình phân tích chi tiết, làm cơ sở cho các nghiên cứu tiếp theo về gia cố nền đất và cải thiện chất lượng đất yếu.

Câu hỏi thường gặp

  1. Cọc xi măng đất là gì và tại sao lại hiệu quả trong xử lý nền đất yếu?
    Cọc xi măng đất là phương pháp gia cố đất bằng cách trộn xi măng vào đất tự nhiên để tạo thành các cọc cứng chắc, tăng sức chịu tải và giảm lún. Hiệu quả do xi măng tạo liên kết bền vững giữa các hạt đất, cải thiện tính cơ học của nền.

  2. Hàm lượng xi măng tối ưu cho gia cố đất tại Cần Thơ là bao nhiêu?
    Nghiên cứu xác định hàm lượng 15% xi măng (tương đương 220 kg/m³ đất) là phù hợp nhất, cân bằng giữa tăng sức chịu nén và chi phí thi công.

  3. Phần mềm PLAXIS 2D được sử dụng như thế nào trong nghiên cứu?
    PLAXIS 2D mô phỏng ứng xử cơ học của đất và cọc xi măng đất theo mô hình Mohr-Coulomb, giúp dự đoán lún và ứng suất, từ đó đánh giá hiệu quả gia cố trước khi thi công thực tế.

  4. Giảm lún không đều có ý nghĩa gì đối với công trình cầu đường?
    Lún không đều gây nứt, hư hỏng kết cấu, giảm tuổi thọ công trình và tăng chi phí bảo trì. Giảm lún không đều giúp công trình ổn định, an toàn và bền vững hơn.

  5. Có thể áp dụng phương pháp này cho các vùng đất yếu khác không?
    Có thể, nhưng cần khảo sát đặc điểm đất và điều kiện địa phương để điều chỉnh hàm lượng xi măng và thiết kế phù hợp nhằm đạt hiệu quả tối ưu.

Kết luận

  • Ứng dụng cọc xi măng đất với hàm lượng xi măng 15% nâng cao sức chịu nén đơn trội của đất nền lên đến 975 kN/m², tăng 40-50 lần so với đất tự nhiên.
  • Giảm lún không đều giữa đường dẫn và mố cầu từ khoảng 12 cm xuống dưới 3 cm, cải thiện an toàn công trình.
  • Mô hình Mohr-Coulomb và mô phỏng PLAXIS 2D là công cụ hiệu quả trong phân tích và thiết kế gia cố nền đất yếu.
  • Giải pháp gia cố phù hợp với điều kiện địa phương, tiết kiệm chi phí và nâng cao tuổi thọ công trình.
  • Đề xuất triển khai áp dụng rộng rãi trong các dự án hạ tầng giao thông tại Đồng bằng sông Cửu Long trong giai đoạn 2024-2026.

Hãy áp dụng ngay giải pháp cọc xi măng đất để nâng cao chất lượng công trình và phát triển bền vững hạ tầng giao thông vùng đất yếu!