Tổng quan nghiên cứu

Việc thi công hố móng sâu trên nền địa chất cát đùn, cát chảy tại các vùng đồng bằng, đặc biệt là khu vực trạm bơm tiêu Nhất Trai, tỉnh Bắc Ninh, đặt ra nhiều thách thức kỹ thuật do hiện tượng cát chảy và sự ảnh hưởng của mực nước ngầm cao. Theo ước tính, các công trình xây dựng tại vùng này thường gặp phải các sự cố như sụt lún, xói rỗng nền móng, và hư hỏng kết cấu do dòng chảy nước ngầm kéo theo các hạt cát nhỏ vào hố móng. Mục tiêu nghiên cứu của luận văn là đề xuất các giải pháp kỹ thuật hiệu quả nhằm xử lý nền cát cho hố móng sâu, đảm bảo ổn định và an toàn trong thi công, đồng thời ứng dụng thực tiễn cho trạm bơm tiêu Nhất Trai. Phạm vi nghiên cứu tập trung vào điều kiện địa chất và thủy văn tại Bắc Ninh, với thời gian khảo sát và phân tích dữ liệu từ năm 2015 đến 2016. Ý nghĩa của nghiên cứu được thể hiện qua việc giảm thiểu rủi ro sự cố trong thi công, nâng cao chất lượng công trình và rút ngắn thời gian thi công, góp phần phát triển bền vững ngành xây dựng công trình thủy lợi tại Việt Nam.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên các lý thuyết và mô hình nghiên cứu về cơ học đất và thủy lực ngầm, bao gồm:

  • Lý thuyết áp lực thủy động: Giải thích tác động của nước ngầm có áp lực lên lớp đất không thấm dưới đáy hố móng, gây hiện tượng bục đáy và mất ổn định mái dốc hố móng.
  • Mô hình phễu hạ mực nước ngầm: Mô tả sự hình thành mặt trũng mực nước xung quanh giếng hút, ảnh hưởng đến phạm vi và hiệu quả của hệ thống tiêu nước.
  • Khái niệm cát chảy và xói rỗng nền móng: Phân tích hiện tượng đất nền bị cuốn trôi theo dòng nước ngầm, dẫn đến sụt lún và hư hỏng công trình.
  • Phản ứng hóa học của xi măng với đất yếu: Giải thích cơ chế gia cố đất bằng xi măng, tạo thành khung xương cứng chắc, tăng cường độ và ổn định nền móng.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu chính bao gồm khảo sát địa chất thủy văn tại hiện trường trạm bơm Nhất Trai, số liệu mực nước ngầm, đặc tính cơ lý đất nền, cùng các tài liệu chuyên ngành liên quan. Phương pháp phân tích sử dụng phần mềm mô phỏng Plaxis và Modflow để tính toán ổn định hố móng và mô phỏng quá trình hạ mực nước ngầm. Cỡ mẫu nghiên cứu gồm 42 giếng kim được bố trí xung quanh hố móng, với khoảng cách trung bình 3,5m, nhằm đánh giá hiệu quả hệ thống tiêu nước. Timeline nghiên cứu kéo dài từ tháng 6/2015 đến tháng 5/2016, bao gồm khảo sát thực địa, phân tích mô hình và đề xuất giải pháp kỹ thuật.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Hiện tượng cát chảy và xói rỗng nền móng: Khi đào móng sâu dưới mực nước ngầm cao, hiện tượng cát chảy xảy ra liên tục, gây sụt lún mái móng với tỷ lệ mất ổn định lên đến 15-20% trong các đoạn khảo sát. Mực nước ngầm tự nhiên tại khu vực dao động quanh cao trình +5,1m, trong khi thiết kế yêu cầu hạ thấp xuống dưới đáy móng khoảng 0,5m để đảm bảo khô ráo.

  2. Hiệu quả của hệ thống giếng kim: Việc bố trí 42 giếng kim xung quanh hố móng đã tạo ra phễu hạ mực nước ngầm ổn định, giảm mực nước trung bình khoảng 1,5m sau 7 ngày hút liên tục. Tuy nhiên, một số giếng bị tắc nghẽn hoặc mất chân không làm giảm hiệu suất bơm, khiến mực nước không đạt thiết kế ban đầu.

  3. Gia cố nền bằng cọc xi măng đất trộn sâu: Phương pháp này đã tăng cường độ chịu lực của nền đất lên khoảng 25-30%, giảm độ lún công trình và hạn chế hiện tượng biến loãng đất. Đặc biệt, cọc trộn sâu giúp giảm thiểu chấn động và ảnh hưởng đến các công trình lân cận so với phương pháp cọc bản thép truyền thống.

  4. Ảnh hưởng của việc tiêu nước mặt và tiêu nước ngầm: Tiêu nước mặt giúp giảm lượng nước đọng trong hố móng, nhưng không thể ngăn hoàn toàn hiện tượng cát chảy. Kết hợp tiêu nước ngầm bằng giếng kim là giải pháp tối ưu, giúp duy trì mái móng ổn định và khô ráo trong suốt quá trình thi công.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính dẫn đến hiện tượng cát chảy là do mực nước ngầm cao và áp lực thủy động lớn, làm giảm sức chịu cắt của đất nền, gây mất ổn định mái móng. So sánh với các nghiên cứu quốc tế, việc áp dụng hệ thống giếng kim và gia cố bằng cọc xi măng đất trộn sâu tại Nhất Trai tương tự như các công trình tại Trung Quốc và Nhật Bản, cho thấy hiệu quả kinh tế và kỹ thuật cao. Dữ liệu mô phỏng bằng Plaxis và Modflow minh họa rõ sự hình thành phễu hạ mực nước và phân bố ứng suất trong đất nền, hỗ trợ việc tối ưu hóa thiết kế hệ thống tiêu nước. Kết quả nghiên cứu góp phần nâng cao hiểu biết về xử lý nền cát trong thi công hố móng sâu, đồng thời cung cấp cơ sở khoa học cho việc lựa chọn giải pháp kỹ thuật phù hợp với điều kiện địa chất phức tạp tại Việt Nam.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Tăng cường công tác khảo sát địa chất thủy văn: Thực hiện khảo sát chi tiết hệ số thấm đứng và ngang, thành phần đất, mực nước ngầm tại nhiều vị trí để đảm bảo số liệu thiết kế chính xác, giảm thiểu sai sót trong tính toán hạ mực nước ngầm. Chủ thể thực hiện: Chủ đầu tư và đơn vị khảo sát, thời gian: trước khi thi công.

  2. Ứng dụng hệ thống giếng kim hiện đại, đồng bộ: Lựa chọn thiết bị bơm và giếng kim có công suất phù hợp, đảm bảo vận hành liên tục, tránh hiện tượng mất chân không. Chủ thể thực hiện: Nhà thầu thi công và đơn vị tư vấn kỹ thuật, thời gian: trong quá trình thi công.

  3. Gia cố nền bằng cọc xi măng đất trộn sâu: Áp dụng phương pháp này để tăng cường độ đất nền, giảm lún và biến dạng, đồng thời hạn chế ảnh hưởng đến công trình lân cận. Chủ thể thực hiện: Nhà thầu thi công, thời gian: giai đoạn chuẩn bị móng.

  4. Kết hợp tiêu nước mặt và tiêu nước ngầm hiệu quả: Thiết kế hệ thống mương rãnh tiêu nước mặt hợp lý, phối hợp với hệ thống giếng kim để kiểm soát mực nước ngầm, đảm bảo mái móng luôn ổn định và khô ráo. Chủ thể thực hiện: Đơn vị thiết kế và thi công, thời gian: suốt quá trình thi công.

  5. Nâng cao năng lực quản lý và giám sát thi công: Đào tạo nhân sự giám sát chuyên nghiệp, phối hợp chặt chẽ giữa các bên liên quan để phát hiện và xử lý kịp thời các sự cố phát sinh. Chủ thể thực hiện: Chủ đầu tư và đơn vị giám sát, thời gian: toàn bộ quá trình thi công.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Kỹ sư xây dựng và thiết kế công trình thủy lợi: Nghiên cứu cung cấp các giải pháp kỹ thuật xử lý nền cát và hạ mực nước ngầm, giúp thiết kế móng công trình an toàn và hiệu quả.

  2. Nhà thầu thi công công trình hạ tầng: Áp dụng các phương pháp gia cố nền và tiêu nước phù hợp, giảm thiểu rủi ro sự cố trong quá trình thi công hố móng sâu.

  3. Chuyên gia khảo sát địa chất thủy văn: Tham khảo các phương pháp khảo sát và phân tích dữ liệu mực nước ngầm, hệ số thấm đất để nâng cao độ chính xác trong thiết kế.

  4. Quản lý dự án và chủ đầu tư: Hiểu rõ các yếu tố ảnh hưởng đến tiến độ và chất lượng thi công, từ đó đưa ra quyết định đầu tư hợp lý và giám sát hiệu quả.

Câu hỏi thường gặp

  1. Tại sao hiện tượng cát chảy lại phổ biến khi thi công hố móng sâu?
    Hiện tượng cát chảy xảy ra do mực nước ngầm cao và áp lực thủy động lớn, làm giảm sức chịu cắt của đất nền, khiến các hạt cát nhỏ bị nước kéo theo vào hố móng. Ví dụ tại trạm bơm Nhất Trai, cát chảy gây sụt lún mái móng với tỷ lệ lên đến 20%.

  2. Phương pháp hạ mực nước ngầm bằng giếng kim có ưu điểm gì?
    Giếng kim tạo phễu hạ mực nước ngầm ổn định, giúp làm khô ráo hố móng và tăng độ ổn định nền. Tại Bắc Ninh, hệ thống 42 giếng kim đã giảm mực nước ngầm trung bình 1,5m sau 7 ngày hút liên tục, đảm bảo điều kiện thi công an toàn.

  3. Gia cố nền bằng cọc xi măng đất trộn sâu hoạt động như thế nào?
    Phương pháp này sử dụng xi măng trộn với đất yếu, tạo phản ứng hóa học làm đông cứng đất, tăng cường độ và giảm độ lún. Ứng dụng tại công trình cho thấy tăng cường độ đất nền lên 25-30%, giảm biến dạng công trình.

  4. Tiêu nước mặt và tiêu nước ngầm nên được kết hợp ra sao?
    Tiêu nước mặt giúp loại bỏ nước đọng trên bề mặt hố móng, trong khi tiêu nước ngầm bằng giếng kim kiểm soát mực nước ngầm bên dưới. Kết hợp hai phương pháp này giúp duy trì mái móng ổn định và khô ráo, giảm thiểu hiện tượng cát chảy.

  5. Những khó khăn thường gặp khi áp dụng các giải pháp tiêu nước và gia cố nền?
    Khó khăn bao gồm thiết bị chủ yếu nhập khẩu có giá thành cao, trình độ vận hành chưa chuyên nghiệp, sai số khảo sát địa chất, và quản lý thi công chưa chặt chẽ. Điều này dẫn đến hiệu quả tiêu nước không đạt yêu cầu và rủi ro sự cố công trình.

Kết luận

  • Hiện tượng cát chảy và áp lực nước ngầm cao là nguyên nhân chính gây mất ổn định hố móng sâu tại vùng đồng bằng Bắc Ninh.
  • Hệ thống giếng kim tiêu nước ngầm kết hợp với tiêu nước mặt là giải pháp hiệu quả để kiểm soát mực nước và ổn định mái móng.
  • Gia cố nền bằng cọc xi măng đất trộn sâu giúp tăng cường độ đất nền, giảm lún và hạn chế ảnh hưởng đến công trình lân cận.
  • Việc khảo sát địa chất thủy văn chính xác và quản lý thi công chuyên nghiệp là yếu tố quyết định thành công của giải pháp kỹ thuật.
  • Đề xuất tiếp theo là triển khai áp dụng các giải pháp này cho các công trình tương tự, đồng thời nâng cao năng lực vận hành và giám sát trong ngành xây dựng công trình thủy lợi.

Call-to-action: Các đơn vị thi công và quản lý dự án nên áp dụng kết quả nghiên cứu để nâng cao hiệu quả thi công hố móng sâu, đồng thời tiếp tục nghiên cứu phát triển các công nghệ xử lý nền cát phù hợp với điều kiện địa phương.