Tổng quan nghiên cứu

Xử lý nền đất yếu là một trong những thách thức lớn trong xây dựng công trình giao thông tại Việt Nam, đặc biệt ở các khu vực có địa chất phức tạp như TP. Hồ Chí Minh. Theo ước tính, đất yếu thường có khả năng chịu tải rất thấp, mô đun biến dạng dưới 50 KG/cm² và hệ số nén lún lớn, gây ra các hiện tượng lún sụt và mất ổn định nền đường. Dự án đường Lương Định Của, Quận 2, TP. Hồ Chí Minh, với nền đất yếu dày và mực nước ngầm cao, đặt ra yêu cầu cấp thiết về lựa chọn giải pháp xử lý nền đất phù hợp nhằm đảm bảo an toàn, tiến độ và hiệu quả kinh tế.

Mục tiêu nghiên cứu tập trung vào việc phân tích, đánh giá các phương pháp xử lý nền đất yếu, đặc biệt là giải pháp sử dụng cọc xi măng đất (CDM), giếng cát (SD) và cọc cát đầm chặt (SCP) cho dự án này. Phạm vi nghiên cứu bao gồm đoạn tuyến từ nút giao Trần Não – Lương Định Của đến nút giao Mai Chí Thọ – Lương Định Của, với thời gian khảo sát và tính toán dựa trên dữ liệu địa chất và kỹ thuật thu thập trong giai đoạn thi công. Nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc nâng cao độ bền, giảm lún và tăng ổn định nền đường, góp phần phát triển mạng lưới giao thông đô thị hiện đại và bền vững.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên các lý thuyết cơ bản về đất yếu và các phương pháp xử lý nền đất yếu, bao gồm:

  • Lý thuyết cố kết đất: Dựa trên mô hình Terzaghi và Carrillo, phân tích quá trình cố kết thẳng đứng và ngang, xác định độ lún cố kết và thời gian cố kết của đất yếu dưới tải trọng nền đường.
  • Lý thuyết sức kháng cắt và ổn định trượt: Áp dụng công thức Bishop để kiểm toán ổn định trượt, đánh giá khả năng chịu lực và nguy cơ mất ổn định của nền đất yếu.
  • Mô hình nền đất hỗn hợp: Tính toán sức kháng cắt của nền đất gia cố bằng cọc cát đầm chặt, dựa trên tỷ lệ thay thế và phân bố ứng suất giữa đất và cọc.
  • Khái niệm chính: Đất yếu, cọc xi măng đất (CDM), giếng cát (SD), cọc cát đầm chặt (SCP), độ lún cố kết, áp lực nước lỗ rỗng, hệ số cố kết, ổn định trượt.

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu sử dụng dữ liệu thực địa thu thập từ dự án đường Lương Định Của, bao gồm kết quả khảo sát địa chất, thí nghiệm xuyên tiêu chuẩn (SPT), và các chỉ tiêu cơ lý của đất nền. Cỡ mẫu khảo sát khoảng vài chục điểm lấy mẫu phân bố dọc tuyến, đảm bảo đại diện cho điều kiện địa chất phức tạp.

Phương pháp phân tích bao gồm:

  • Tính toán độ lún cố kết và lún tức thời theo các công thức chuẩn (phương pháp Δe, Pc/Cc, De Beer).
  • Kiểm toán ổn định trượt tổng thể bằng phần mềm chuyên dụng, áp dụng phương pháp Bishop.
  • So sánh hiệu quả ba giải pháp xử lý nền đất yếu: cọc xi măng đất (CDM), giếng cát (SD), cọc cát đầm chặt (SCP) dựa trên các tiêu chí kỹ thuật và kinh tế.
  • Timeline nghiên cứu kéo dài trong khoảng 12 tháng, từ thu thập dữ liệu, phân tích lý thuyết, tính toán đến đề xuất giải pháp.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Độ lún nền đất yếu khi chưa xử lý: Độ lún cố kết dự báo lên đến khoảng 40-50 cm tại tim nền đường, với tốc độ lún kéo dài nhiều tháng, gây nguy cơ mất ổn định và hư hỏng mặt đường. Lún tức thời chiếm khoảng 20-30% tổng độ lún, ảnh hưởng lớn đến tiến độ thi công.

  2. Hiệu quả xử lý bằng cọc xi măng đất (CDM): Giải pháp CDM làm tăng cường độ đất nền, giảm độ lún còn lại xuống dưới 15 cm, rút ngắn thời gian cố kết từ 12 tháng xuống còn khoảng 4-6 tháng. Ổn định trượt nền được cải thiện rõ rệt với hệ số an toàn Fs tăng từ 0.8 (chưa xử lý) lên trên 1.5 sau xử lý.

  3. Giếng cát (SD) và cọc cát đầm chặt (SCP): Giếng cát giúp tăng tốc độ thoát nước, giảm thời gian cố kết khoảng 30-40%, độ lún còn lại khoảng 20 cm. Cọc cát đầm chặt cải thiện sức chịu tải và giảm lún khoảng 25%, tuy nhiên hiệu quả thấp hơn CDM khi đất yếu có hàm lượng hữu cơ cao.

  4. So sánh chi phí và thi công: Chi phí thi công CDM cao hơn giếng cát và cọc cát đầm chặt khoảng 15-20%, nhưng bù lại thời gian thi công nhanh hơn và hiệu quả kỹ thuật vượt trội. Giếng cát và SCP phù hợp với các đoạn đất yếu có chiều dày nhỏ hơn 5m, trong khi CDM thích hợp cho đất yếu dày trên 10m.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân hiệu quả vượt trội của CDM là do quá trình phản ứng hóa học giữa xi măng và đất tạo liên kết bền vững, tăng cường độ và giảm tính nén lún của đất nền. So với các nghiên cứu trong nước và quốc tế, kết quả này phù hợp với các công trình xử lý nền đất yếu tại Nhật Bản và Thái Lan, nơi CDM được ứng dụng rộng rãi.

Biểu đồ so sánh độ lún còn lại và hệ số an toàn trượt giữa các giải pháp cho thấy CDM có ưu thế rõ rệt, đặc biệt trong điều kiện đất yếu dày và mực nước ngầm cao. Tuy nhiên, chi phí và yêu cầu thiết bị thi công phức tạp hơn là điểm cần cân nhắc.

Giếng cát và cọc cát đầm chặt vẫn là lựa chọn kinh tế cho các trường hợp đất yếu mỏng, thời gian thi công dài hơn nhưng phù hợp với điều kiện hiện trường và nguồn lực địa phương. Việc kết hợp các giải pháp này với gia tải trước và vải địa kỹ thuật có thể nâng cao hiệu quả xử lý.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Áp dụng giải pháp cọc xi măng đất (CDM) cho các đoạn nền đất yếu dày trên 10m nhằm giảm độ lún còn lại dưới 15 cm và rút ngắn thời gian thi công xuống còn 4-6 tháng. Chủ thể thực hiện: nhà thầu thi công và tư vấn thiết kế, thời gian áp dụng trong giai đoạn thi công chính.

  2. Sử dụng giếng cát (SD) kết hợp gia tải trước cho các đoạn đất yếu có chiều dày từ 3-7m, nhằm tăng tốc độ cố kết và giảm lún khoảng 20 cm. Chủ thể: đơn vị thi công và giám sát, thời gian gia tải từ 6-12 tháng.

  3. Áp dụng cọc cát đầm chặt (SCP) cho các khu vực đất yếu mỏng, có hàm lượng hữu cơ thấp, nhằm cải thiện sức chịu tải và ổn định nền đường với chi phí hợp lý. Chủ thể: nhà thầu thi công, thời gian thi công theo tiến độ dự án.

  4. Kết hợp sử dụng vải địa kỹ thuật và bấc thấm trong các giải pháp xử lý nền đất yếu để tăng cường ổn định trượt và giảm lún không đều, đặc biệt tại các vị trí đầu cầu và đoạn chuyển tiếp. Chủ thể: tư vấn thiết kế và thi công, áp dụng đồng thời với các giải pháp chính.

  5. Tăng cường công tác khảo sát địa chất và giám sát thi công nhằm đảm bảo chất lượng xử lý nền đất, tránh các hiện tượng đứt gãy giếng cát hoặc không đồng đều trong gia cố cọc xi măng đất. Chủ thể: chủ đầu tư và đơn vị giám sát, thực hiện xuyên suốt quá trình thi công.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Chuyên gia và kỹ sư xây dựng giao thông: Nắm bắt các phương pháp xử lý nền đất yếu tiên tiến, áp dụng vào thiết kế và thi công các dự án đường bộ, cầu cống tại khu vực có địa chất phức tạp.

  2. Nhà quản lý dự án và chủ đầu tư: Đánh giá hiệu quả kỹ thuật và kinh tế của các giải pháp xử lý nền đất yếu, từ đó đưa ra quyết định đầu tư hợp lý, đảm bảo tiến độ và chất lượng công trình.

  3. Giảng viên và sinh viên ngành kỹ thuật xây dựng công trình giao thông: Tài liệu tham khảo chuyên sâu về lý thuyết, phương pháp tính toán và ứng dụng thực tế trong xử lý nền đất yếu, phục vụ nghiên cứu và giảng dạy.

  4. Nhà thầu thi công và tư vấn thiết kế: Hướng dẫn lựa chọn và triển khai các giải pháp xử lý nền đất yếu phù hợp với điều kiện hiện trường, nâng cao hiệu quả thi công và chất lượng công trình.

Câu hỏi thường gặp

  1. Tại sao phải xử lý nền đất yếu trước khi xây dựng nền đường?
    Nền đất yếu có khả năng chịu tải thấp, dễ bị lún và mất ổn định, gây hư hỏng công trình. Xử lý nền giúp tăng cường độ, giảm lún và đảm bảo an toàn, tuổi thọ công trình.

  2. Giải pháp cọc xi măng đất (CDM) có ưu điểm gì so với các phương pháp khác?
    CDM tạo liên kết hóa học bền vững trong đất, xử lý được đất yếu dày, giảm lún còn lại dưới 15 cm và rút ngắn thời gian thi công, phù hợp với điều kiện mực nước ngầm cao.

  3. Giếng cát (SD) hoạt động như thế nào trong xử lý nền đất yếu?
    Giếng cát tạo đường thoát nước thẳng đứng, tăng tốc độ cố kết đất yếu, giảm thời gian lún và làm tăng độ chặt của đất nền, thích hợp với đất sét và á sét.

  4. Chi phí thi công các giải pháp xử lý nền đất yếu có sự khác biệt ra sao?
    CDM có chi phí cao hơn giếng cát và cọc cát đầm chặt khoảng 15-20%, nhưng bù lại hiệu quả kỹ thuật và thời gian thi công nhanh hơn, giúp tiết kiệm chi phí tổng thể dự án.

  5. Làm thế nào để kiểm soát chất lượng thi công giải pháp cọc xi măng đất?
    Cần khảo sát kỹ hàm lượng hữu cơ, pH đất, giám sát quá trình trộn xi măng và thi công cọc, đồng thời thực hiện các thí nghiệm kiểm tra độ bền và độ đồng đều của cọc sau thi công.

Kết luận

  • Đất yếu tại dự án đường Lương Định Của có đặc điểm chịu tải thấp, độ lún lớn và mực nước ngầm cao, đòi hỏi giải pháp xử lý nền hiệu quả.
  • Giải pháp cọc xi măng đất (CDM) được đánh giá là tối ưu về mặt kỹ thuật và thời gian thi công, giảm độ lún còn lại dưới 15 cm và tăng hệ số an toàn trượt lên trên 1.5.
  • Giếng cát (SD) và cọc cát đầm chặt (SCP) là các giải pháp kinh tế, phù hợp với đất yếu mỏng và điều kiện thi công hạn chế.
  • Việc kết hợp các giải pháp xử lý với gia tải trước, vải địa kỹ thuật và bấc thấm giúp nâng cao hiệu quả xử lý nền đất yếu.
  • Khuyến nghị áp dụng CDM cho các đoạn đất yếu dày, đồng thời tăng cường khảo sát và giám sát thi công để đảm bảo chất lượng công trình.

Tiếp theo, cần triển khai thực nghiệm thi công và giám sát chặt chẽ để đánh giá hiệu quả thực tế của giải pháp CDM, đồng thời nghiên cứu mở rộng ứng dụng cho các dự án giao thông khác tại khu vực có điều kiện địa chất tương tự. Đề nghị các nhà quản lý và kỹ sư xây dựng quan tâm áp dụng kết quả nghiên cứu nhằm nâng cao chất lượng và độ bền vững của hệ thống giao thông đô thị.