Tổng quan nghiên cứu

Trong bối cảnh phát triển nhanh chóng của ngành năng lượng, đặc biệt là nhiệt điện than, việc đảm bảo an toàn và hiệu quả vận hành các công trình liên quan đến xử lý nền đất yếu trở nên cấp thiết. Theo Quy hoạch phát triển điện lực quốc gia giai đoạn 2010-2030, tỷ trọng nguồn nhiệt điện dự kiến tăng từ 16,5% lên 48% tổng công suất hệ thống vào năm 2020. Công trình đập bãi thải xỉ của Nhà máy Nhiệt điện Mông Dương 2 tại tỉnh Quảng Ninh là một ví dụ điển hình, nơi nền đất yếu gây ra nhiều thách thức về ổn định và độ lún. Sự cố vỡ đập bãi xỉ tại Mông Dương năm 2015 đã làm lún sụt nghiêm trọng, ảnh hưởng đến hàng trăm hộ dân và môi trường xung quanh, cho thấy tầm quan trọng của việc lựa chọn giải pháp xử lý nền phù hợp.

Mục tiêu nghiên cứu là xây dựng cơ sở khoa học để lựa chọn giải pháp kỹ thuật tối ưu trong xử lý nền đất yếu cho đập bãi thải xỉ, đảm bảo yêu cầu kinh tế và kỹ thuật. Nghiên cứu tập trung vào việc xác định phương án bố trí cọc xi măng đất gia cố nền, phương pháp tính toán gia cố thích hợp và đánh giá chất lượng cọc xi măng đất. Phạm vi nghiên cứu bao gồm khảo sát địa hình, địa chất, điều kiện khí tượng thủy văn tại công trình Mông Dương 2, cùng với phân tích và so sánh các giải pháp xử lý nền trong giai đoạn từ năm 2015 đến 2016.

Ý nghĩa của nghiên cứu được thể hiện qua việc nâng cao độ ổn định, giảm độ lún và ứng suất biến dạng của nền đất yếu, từ đó đảm bảo an toàn cho đập bãi thải xỉ, giảm thiểu rủi ro môi trường và thiệt hại kinh tế. Kết quả nghiên cứu cũng góp phần hoàn thiện các tiêu chuẩn thiết kế và thi công công trình trên nền đất yếu tại Việt Nam.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu dựa trên hai lý thuyết chính: lý thuyết cân bằng giới hạn và lý thuyết ứng suất - biến dạng của nền đất. Lý thuyết cân bằng giới hạn được sử dụng để đánh giá ổn định mái dốc đập, xác định hệ số an toàn chống trượt dựa trên mối quan hệ giữa mômen chống trượt và mômen gây trượt theo mô hình Mohr-Coulomb. Lý thuyết này bao gồm các phương pháp phân tích như Fellenius, Bishop, Spencer và Janbu, giúp xác định mặt trượt nguy hiểm và hệ số an toàn tổng hợp.

Lý thuyết ứng suất - biến dạng tập trung vào mối quan hệ giữa ứng suất hiệu quả, áp lực nước lỗ rỗng và biến dạng của đất nền. Mô hình đàn hồi - dẻo Mohr-Coulomb được áp dụng để mô phỏng ứng xử cơ học của đất yếu, bao gồm biến dạng đàn hồi và biến dạng dẻo, giúp dự đoán độ lún và biến dạng của nền đất dưới tải trọng công trình. Ngoài ra, lý thuyết cố kết thấm một chiều của Terzaghi được sử dụng để mô tả quá trình lún cố kết của đất sét bão hòa nước theo thời gian.

Các khái niệm chính bao gồm:

  • Đất yếu: đất có sức chịu tải thấp (khoảng 0,5-1,0 daN/cm²), độ nén lún lớn, mô đun biến dạng thấp (khoảng 50 daN/cm²), và lực dính nhỏ.
  • Hệ số an toàn ổn định mái dốc: tỷ số giữa lực chống trượt và lực gây trượt trên mặt trượt nguy hiểm.
  • Biến dạng và độ lún: sự chuyển vị của các hạt đất dưới tải trọng, bao gồm lún tức thời, lún cố kết và lún từ biến dạng theo thời gian.
  • Cọc xi măng đất: hỗn hợp đất nguyên trạng và xi măng được gia cố bằng phương pháp khoan phun, tăng cường sức chịu tải và giảm biến dạng nền đất yếu.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu chính bao gồm số liệu khảo sát địa hình, địa chất, thủy văn tại công trình đập bãi thải xỉ Mông Dương 2, kết quả thí nghiệm mẫu đất và cọc xi măng đất trong phòng thí nghiệm và hiện trường. Ngoài ra, dữ liệu từ các dự án xử lý nền đất yếu tương tự và các tài liệu chuyên ngành được tổng hợp để tham khảo.

Phương pháp phân tích sử dụng phần mềm mô phỏng địa kỹ thuật Plaxis phiên bản mới nhất, áp dụng phương pháp phần tử hữu hạn để mô phỏng ứng suất, biến dạng và ổn định nền đất. Các mô hình tính toán được xây dựng dựa trên mô hình đàn hồi - dẻo Mohr-Coulomb, kết hợp với lý thuyết cố kết thấm để dự đoán độ lún theo thời gian.

Quy trình nghiên cứu gồm:

  • Khảo sát và thu thập số liệu thực tế tại công trình.
  • Thiết kế và thi công trụ thử cọc xi măng đất để đánh giá hiệu quả gia cố.
  • Phân tích, so sánh các giải pháp xử lý nền như thay nền, gia cố bằng cọc xi măng đất, và các phương pháp cơ học khác.
  • Tính toán ổn định mái dốc, ứng suất và biến dạng nền đất bằng phần mềm chuyên dụng.
  • Đánh giá kết quả và đề xuất giải pháp tối ưu.

Cỡ mẫu khảo sát và thí nghiệm gồm ít nhất 2 trụ thử cho mỗi loại thiết bị và công nghệ thi công, đảm bảo tính đại diện và độ tin cậy của kết quả. Phương pháp chọn mẫu dựa trên tiêu chí đại diện cho điều kiện địa chất công trình và khả năng áp dụng thực tế. Timeline nghiên cứu kéo dài trong khoảng 12 tháng, từ khảo sát đến hoàn thiện báo cáo.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Hiệu quả gia cố nền bằng cọc xi măng đất
    Kết quả thí nghiệm và mô phỏng cho thấy, việc sử dụng cọc xi măng đất dạng hoa mai với khoảng cách bố trí hợp lý đã làm tăng sức chịu tải của nền lên khoảng 2-3 lần so với nền đất tự nhiên. Hệ số an toàn ổn định mái dốc tăng từ 1,15 (nền chưa gia cố) lên 1,40 sau khi gia cố, đảm bảo yêu cầu kỹ thuật.

  2. Giảm độ lún và biến dạng nền đất
    Sau khi thi công cọc xi măng đất và đắp xỉ than, độ lún thẳng đứng giảm khoảng 30-40% so với phương án không gia cố. Chuyển vị ngang cũng giảm đáng kể, từ 15 cm xuống còn khoảng 6-8 cm sau đợt đắp thứ hai, giúp hạn chế nguy cơ phá hoại công trình.

  3. So sánh các phương án xử lý nền
    Phương án thay nền chỉ phù hợp với điều kiện chiều sâu nền yếu nhỏ và có vật liệu thay thế tại chỗ phong phú, nhưng chi phí và rủi ro cao do phụ thuộc vào điều kiện khí tượng thủy văn. Phương pháp gia cố bằng cọc xi măng đất được đánh giá là tối ưu về mặt kỹ thuật và kinh tế, với chi phí thấp hơn khoảng 20-30% so với thay nền và hiệu quả ổn định lâu dài.

  4. Đánh giá chất lượng cọc xi măng đất
    Phương pháp thí nghiệm xuyên cánh và xuyên tĩnh ngoài hiện trường cho thấy độ bền cắt không thoát nước của cọc xi măng đất đạt từ 2 đến 4 lần so với đất nền xung quanh, phù hợp với các tiêu chuẩn thiết kế. Việc thi công trụ thử và điều chỉnh hàm lượng xi măng giúp tối ưu hóa hiệu quả gia cố.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính của sự cải thiện ổn định và giảm lún là do tăng cường sức chịu tải và giảm hệ số rỗng của nền đất sau khi gia cố bằng cọc xi măng đất. Kết quả mô phỏng bằng phần mềm Plaxis phù hợp với số liệu thực tế thu thập được, thể hiện qua biểu đồ chuyển vị thẳng đứng và ngang theo từng giai đoạn đắp vật liệu.

So với các nghiên cứu trong nước và quốc tế, kết quả này tương đồng với các công trình xử lý nền đất yếu bằng cọc xi măng đất tại các khu vực đồng bằng và ven biển. Việc áp dụng mô hình đàn hồi - dẻo Mohr-Coulomb giúp dự đoán chính xác biến dạng và ổn định nền đất, đồng thời giảm thiểu sai số so với các phương pháp truyền thống.

Ý nghĩa của kết quả nghiên cứu không chỉ nằm ở việc đảm bảo an toàn cho đập bãi thải xỉ Mông Dương 2 mà còn góp phần nâng cao hiệu quả thiết kế và thi công các công trình tương tự trên nền đất yếu, giảm thiểu rủi ro môi trường và thiệt hại kinh tế.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Áp dụng giải pháp gia cố nền bằng cọc xi măng đất dạng hoa mai
    Khuyến nghị sử dụng cọc xi măng đất với hàm lượng xi măng và khoảng cách bố trí phù hợp để tăng sức chịu tải và giảm biến dạng nền đất yếu. Thời gian thực hiện trong vòng 6-9 tháng, do các đơn vị thi công chuyên ngành đảm nhận.

  2. Tăng cường giám sát và kiểm tra chất lượng thi công
    Thi công trụ thử và kiểm tra định kỳ bằng các phương pháp xuyên cánh, xuyên tĩnh để đảm bảo chất lượng cọc xi măng đất đạt yêu cầu thiết kế. Chủ thể thực hiện là các đơn vị tư vấn giám sát và nhà thầu thi công.

  3. Sử dụng phần mềm mô phỏng địa kỹ thuật hiện đại
    Áp dụng phần mềm Plaxis hoặc tương đương để mô phỏng ứng suất, biến dạng và ổn định nền đất trong quá trình thiết kế và thi công, giúp dự báo chính xác và điều chỉnh kịp thời các giải pháp kỹ thuật. Thời gian áp dụng song song với giai đoạn thiết kế.

  4. Xây dựng tiêu chuẩn và quy trình thiết kế, thi công xử lý nền đất yếu
    Đề xuất hoàn thiện các tiêu chuẩn kỹ thuật về xử lý nền đất yếu, đặc biệt là sử dụng cọc xi măng đất, nhằm chuẩn hóa quy trình thiết kế và thi công, nâng cao hiệu quả và an toàn công trình. Chủ thể thực hiện là các cơ quan quản lý nhà nước và viện nghiên cứu chuyên ngành.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Kỹ sư và chuyên gia địa kỹ thuật
    Nghiên cứu cung cấp cơ sở lý thuyết và thực tiễn về xử lý nền đất yếu bằng cọc xi măng đất, giúp kỹ sư thiết kế và thi công lựa chọn giải pháp phù hợp, nâng cao hiệu quả công trình.

  2. Nhà quản lý dự án và chủ đầu tư công trình thủy lợi, nhiệt điện
    Thông tin về các giải pháp xử lý nền và đánh giá hiệu quả giúp quản lý dự án đưa ra quyết định đầu tư hợp lý, giảm thiểu rủi ro và chi phí phát sinh.

  3. Giảng viên và sinh viên ngành xây dựng, thủy lợi, địa kỹ thuật
    Tài liệu tham khảo phong phú về lý thuyết, phương pháp nghiên cứu và ứng dụng thực tế, hỗ trợ đào tạo và nghiên cứu khoa học trong lĩnh vực công trình trên nền đất yếu.

  4. Các nhà nghiên cứu và tư vấn kỹ thuật
    Cung cấp dữ liệu, mô hình và kết quả phân tích giúp phát triển các nghiên cứu tiếp theo, đồng thời áp dụng vào các dự án xử lý nền đất yếu khác trên phạm vi toàn quốc.

Câu hỏi thường gặp

  1. Tại sao phải xử lý nền đất yếu cho đập bãi thải xỉ?
    Nền đất yếu có sức chịu tải thấp và độ lún lớn, nếu không xử lý sẽ gây mất ổn định, nguy cơ vỡ đập và ô nhiễm môi trường nghiêm trọng. Ví dụ sự cố vỡ đập Mông Dương 2015 đã gây thiệt hại lớn về người và tài sản.

  2. Giải pháp gia cố bằng cọc xi măng đất có ưu điểm gì?
    Cọc xi măng đất tăng cường sức chịu tải, giảm biến dạng và độ lún nền, thi công nhanh, chi phí hợp lý và phù hợp với nhiều điều kiện địa chất khác nhau. Đây là phương pháp được áp dụng phổ biến và hiệu quả trong thực tế.

  3. Phương pháp tính toán ổn định mái dốc nào được sử dụng?
    Phương pháp cân bằng giới hạn với mô hình Mohr-Coulomb được áp dụng để xác định hệ số an toàn chống trượt, kết hợp với mô phỏng phần tử hữu hạn để đánh giá biến dạng và ổn định tổng thể.

  4. Làm thế nào để đánh giá chất lượng cọc xi măng đất sau thi công?
    Sử dụng các phương pháp thí nghiệm xuyên cánh, xuyên tĩnh ngoài hiện trường và thí nghiệm mẫu trong phòng để xác định độ bền cắt và tính đồng nhất của cọc, đảm bảo đạt yêu cầu thiết kế.

  5. Có thể áp dụng kết quả nghiên cứu cho các công trình khác không?
    Có, các phương pháp và giải pháp được nghiên cứu có thể áp dụng cho nhiều công trình xây dựng trên nền đất yếu như đê điều, đường bộ, nhà xưởng, đặc biệt là các đập bãi thải xỉ nhiệt điện tại các vùng đồng bằng và ven biển.

Kết luận

  • Nghiên cứu đã xác định được giải pháp gia cố nền đất yếu bằng cọc xi măng đất dạng hoa mai là tối ưu cho đập bãi thải xỉ Nhiệt điện Mông Dương 2, nâng cao hệ số an toàn và giảm độ lún nền.
  • Phương pháp tính toán dựa trên lý thuyết cân bằng giới hạn và mô hình đàn hồi - dẻo Mohr-Coulomb kết hợp với phần mềm Plaxis cho kết quả chính xác, phù hợp với thực tế công trình.
  • Việc thi công trụ thử và đánh giá chất lượng cọc xi măng đất là bước quan trọng để đảm bảo hiệu quả gia cố và an toàn công trình.
  • Đề xuất áp dụng giải pháp gia cố, tăng cường giám sát thi công và hoàn thiện tiêu chuẩn kỹ thuật nhằm nâng cao hiệu quả xử lý nền đất yếu trong các công trình tương tự.
  • Các bước tiếp theo bao gồm triển khai áp dụng giải pháp tại công trình, theo dõi biến dạng thực tế và cập nhật dữ liệu để hoàn thiện quy trình thiết kế và thi công.

Hành động ngay: Các đơn vị thiết kế và thi công cần phối hợp chặt chẽ để triển khai giải pháp gia cố nền bằng cọc xi măng đất, đồng thời áp dụng phần mềm mô phỏng để kiểm soát chất lượng và đảm bảo an toàn công trình.