Tổng quan nghiên cứu

Trong bối cảnh phát triển kinh tế và hội nhập quốc tế, Việt Nam đã đầu tư mạnh mẽ vào cơ sở hạ tầng, đặc biệt là hệ thống giao thông vận tải. Tuy nhiên, nhiều tuyến đường giao thông được xây dựng trên nền đất yếu, đặc biệt là các vùng trầm tích mềm yếu như đồng bằng sông Cửu Long, dẫn đến các sự cố kỹ thuật như lún, trượt, nứt nẻ mặt đường. Theo khảo sát, nền đất yếu thường có hệ số rỗng lớn, độ ẩm cao, cường độ chịu cắt thấp, gây khó khăn trong thi công và khai thác công trình. Mục tiêu nghiên cứu của luận văn là lựa chọn và đánh giá các giải pháp xử lý nền đất yếu phù hợp cho đoạn đường cao tốc Trung Lương - Mỹ Thuận từ km 67+514 đến km 73+793, nhằm đảm bảo tính kỹ thuật và kinh tế tối ưu. Nghiên cứu tập trung vào phân tích đặc điểm địa chất công trình, lựa chọn giải pháp xử lý nền đất yếu hiệu quả, rút ngắn thời gian cố kết, tăng khả năng chịu tải và ổn định công trình. Phạm vi nghiên cứu bao gồm khu vực đồng bằng sông Cửu Long với điều kiện địa chất đặc thù, khí hậu nhiệt đới gió mùa, lượng mưa trung bình 1.450 mm/năm và nhiệt độ trung bình 27°C. Ý nghĩa của nghiên cứu được thể hiện qua việc giảm thiểu các sự cố kỹ thuật, nâng cao tuổi thọ công trình giao thông, đồng thời góp phần thúc đẩy phát triển kinh tế vùng và quốc gia.

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 xử lý nền đất yếu, bao gồm:

  • Lý thuyết cố kết đất: Giải thích quá trình giảm độ ẩm và tăng cường độ đất nền dưới tác dụng tải trọng, đặc biệt với đất sét và bùn có hệ số thấm thấp.
  • Mô hình xử lý nền đất yếu bằng giếng cát và bấc thấm: Tăng tốc độ thoát nước thẳng đứng, rút ngắn thời gian cố kết, cải thiện độ chặt và sức chịu tải của nền đất.
  • Khái niệm về đất yếu: Đất có lực dính thấp (C < 0,15 daN/cm²), góc ma sát nhỏ (φ < 10°), độ ẩm cao gần hoặc vượt giới hạn chảy, hệ số rỗng lớn (e ≥ 1,5 đối với đất sét).
  • Các giải pháp xử lý nền đất yếu: Thay thế nền, bệ phản áp, cọc cát, trụ xi măng đất, móng cọc, sử dụng cốt địa kỹ thuật, thiết bị thoát nước (giếng cát, bấc thấm).

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu chính được thu thập từ khảo sát địa chất công trình tại đoạn đường cao tốc Trung Lương - Mỹ Thuận, bao gồm các chỉ tiêu cơ lý của các lớp đất nền như bùn sét, sét dẻo cứng, cát mịn, sét nửa cứng và cát hạt mịn. Cỡ mẫu khảo sát gồm nhiều lỗ khoan với chiều sâu đến 55 m, phân tích chi tiết các đặc tính cơ lý như độ ẩm, khối lượng thể tích, hệ số rỗng, lực dính, góc ma sát, hệ số cố kết và mô đun biến dạng. Phương pháp phân tích sử dụng các công cụ tính toán độ lún, kiểm tra ổn định nền đắp, thiết kế và tính toán các giải pháp xử lý nền đất yếu như giếng cát và bấc thấm kết hợp gia tải. Timeline nghiên cứu kéo dài trong năm 2015, bao gồm khảo sát thực địa, phân tích dữ liệu, thiết kế giải pháp và đánh giá hiệu quả kỹ thuật, kinh tế.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Đặc điểm địa chất nền đất yếu khu vực nghiên cứu: Lớp đất yếu chủ yếu là bùn sét hữu cơ có chiều dày từ 5,6 đến 7,5 m, độ ẩm tự nhiên trung bình 72,35%, hệ số rỗng 2,107, lực dính kết 0,063 kG/cm², góc ma sát trong 4°06’. Lớp đất này có sức chịu tải rất thấp, gây nguy cơ lún kéo dài và biến dạng không đồng đều.

  2. Hiệu quả của giải pháp giếng cát kết hợp gia tải: Giếng cát có đường kính 40 cm, bố trí theo hình vuông hoặc tam giác đều, giúp tăng tốc độ cố kết đất nền, giảm thời gian lún từ khoảng 1,5 năm xuống còn vài tháng. Khối lượng xử lý nền bằng giếng cát được tính toán chi tiết, đảm bảo độ lún không vượt quá giới hạn cho phép.

  3. Hiệu quả của giải pháp bấc thấm kết hợp gia tải: Bấc thấm PVD có hệ số thấm 1x10⁻⁴ m/s, lớn hơn nhiều lần so với đất sét (k = 10x10⁻⁸ m/s), giúp thoát nước nhanh, tăng sức chịu tải nền đất lên 2-2,5 lần. Thi công nhanh, chi phí hợp lý, phù hợp với điều kiện địa chất khu vực.

  4. So sánh chi phí và kỹ thuật giữa các giải pháp: Giải pháp cọc xi măng đất không phù hợp do hàm lượng hữu cơ cao và tính xâm thực của nước ngầm, trong khi giải pháp móng cọc không kinh tế cho tuyến đường dài. Giếng cát và bấc thấm là hai giải pháp khả thi, trong đó bấc thấm có ưu thế về thời gian thi công và kiểm soát chất lượng.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính của các sự cố nền đường là do đặc tính cơ lý yếu kém của lớp đất bùn sét hữu cơ, có độ ẩm cao và hệ số rỗng lớn, dẫn đến lún kéo dài và biến dạng không đồng đều. Việc áp dụng giếng cát và bấc thấm giúp tăng tốc độ thoát nước, rút ngắn thời gian cố kết, đồng thời cải thiện sức chịu tải và độ ổn định nền. Kết quả nghiên cứu phù hợp với các báo cáo ngành và các công trình tương tự trong nước như đường Pháp Vân - Cầu Giẽ, đường Láng - Hòa Lạc. Biểu đồ so sánh độ lún theo thời gian giữa nền đất chưa xử lý và nền đất xử lý bằng giếng cát, bấc thấm cho thấy sự giảm đáng kể về độ lún và thời gian cố kết. Bảng tổng hợp chi phí dự toán cũng minh chứng tính kinh tế của hai giải pháp này so với các phương pháp khác. Nghiên cứu góp phần làm rõ ưu nhược điểm của từng giải pháp trong điều kiện địa chất đặc thù của đồng bằng sông Cửu Long, từ đó hỗ trợ lựa chọn giải pháp tối ưu cho các công trình giao thông tương lai.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Áp dụng giải pháp bấc thấm kết hợp gia tải cho đoạn đường cao tốc Trung Lương - Mỹ Thuận: Thực hiện thi công bấc thấm với khoảng cách bố trí hợp lý, kết hợp gia tải trước để rút ngắn thời gian cố kết, đảm bảo độ lún không vượt quá 30 cm. Thời gian thực hiện dự kiến trong vòng 6-8 tháng. Chủ thể thực hiện là nhà thầu chuyên ngành địa kỹ thuật.

  2. Sử dụng giếng cát tại các vị trí có lớp đất yếu dày và hàm lượng hữu cơ cao: Thiết kế giếng cát đường kính 40 cm, bố trí theo hình tam giác đều, chiều dày đệm cát khoảng 0,5 m để tăng độ chặt nền đất. Thời gian thi công và cố kết dự kiến khoảng 8-10 tháng. Chủ thể thực hiện là đơn vị thi công có kinh nghiệm về xử lý nền đất yếu.

  3. Tăng cường công tác giám sát chất lượng thi công và kiểm tra ổn định nền: Áp dụng các phương pháp đo lún, kiểm tra sức chịu tải nền định kỳ trong quá trình thi công và khai thác để kịp thời điều chỉnh biện pháp xử lý. Chủ thể thực hiện là tư vấn giám sát và chủ đầu tư.

  4. Nghiên cứu bổ sung giải pháp xử lý nền bằng cọc xi măng đất cho các khu vực có đặc điểm địa chất phù hợp: Tiến hành khảo sát chi tiết hàm lượng hạt mịn và hữu cơ để đánh giá khả năng áp dụng giải pháp này trong tương lai, nhằm đa dạng hóa lựa chọn kỹ thuật. Thời gian nghiên cứu dự kiến 12 tháng, do viện nghiên cứu chuyên ngành thực hiện.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Chuyên gia và kỹ sư địa kỹ thuật: Nghiên cứu cung cấp dữ liệu chi tiết về đặc tính cơ lý đất yếu và các giải pháp xử lý nền, hỗ trợ thiết kế và thi công các công trình giao thông trên nền đất yếu.

  2. Nhà quản lý dự án giao thông: Thông tin về hiệu quả kỹ thuật và kinh tế của các giải pháp xử lý nền giúp đưa ra quyết định đầu tư hợp lý, giảm thiểu rủi ro kỹ thuật và chi phí phát sinh.

  3. Các đơn vị thi công và tư vấn xây dựng: Hướng dẫn cụ thể về thiết kế, thi công giếng cát và bấc thấm, cùng các lưu ý về giám sát chất lượng, giúp nâng cao hiệu quả thi công và đảm bảo tiến độ dự án.

  4. Nhà nghiên cứu và sinh viên chuyên ngành xây dựng công trình ngầm, địa kỹ thuật: Tài liệu tham khảo khoa học, cập nhật các phương pháp xử lý nền đất yếu hiện đại, phục vụ cho nghiên cứu và học tập chuyên sâu.

Câu hỏi thường gặp

  1. Giếng cát và bấc thấm khác nhau như thế nào trong xử lý nền đất yếu?
    Giếng cát là lỗ khoan được lấp đầy cát để tạo kênh thoát nước thẳng đứng, còn bấc thấm là thiết bị thoát nước thẳng đứng bằng vật liệu tổng hợp có lõi dẫn nước. Bấc thấm có hệ số thấm cao hơn nhiều, thi công nhanh và kiểm soát chất lượng tốt hơn.

  2. Tại sao không áp dụng giải pháp cọc xi măng đất cho đoạn đường này?
    Do lớp đất yếu có hàm lượng hữu cơ cao và tính xâm thực của nước ngầm, việc kiểm soát lượng xi măng và đảm bảo cường độ cọc gặp khó khăn, ảnh hưởng đến hiệu quả và độ bền của công trình.

  3. Giải pháp bệ phản áp có phù hợp với nền đất yếu dày không?
    Bệ phản áp chỉ thích hợp với lớp đất yếu có chiều dày nhỏ, không làm giảm thời gian cố kết mà còn tăng tải trọng nền, gây lún lớn hơn. Với lớp đất yếu dày như khu vực nghiên cứu, giải pháp này không hiệu quả.

  4. Thời gian cố kết nền đất yếu có thể rút ngắn bao nhiêu khi sử dụng giếng cát hoặc bấc thấm?
    Theo ước tính, thời gian cố kết có thể rút ngắn từ khoảng 1,5 năm xuống còn vài tháng, tùy thuộc vào mật độ bố trí thiết bị và điều kiện địa chất cụ thể.

  5. Làm thế nào để giám sát hiệu quả quá trình xử lý nền đất yếu?
    Sử dụng các thiết bị đo lún, kiểm tra sức chịu tải nền định kỳ, kết hợp quan trắc mực nước ngầm và áp lực trong đất để đánh giá tiến độ cố kết và điều chỉnh biện pháp thi công kịp thời.

Kết luận

  • Đặc điểm địa chất khu vực nghiên cứu gồm lớp đất bùn sét hữu cơ dày 5,6-7,5 m với đặc tính cơ lý yếu, gây nguy cơ lún kéo dài và biến dạng không đồng đều.
  • Giếng cát và bấc thấm kết hợp gia tải là hai giải pháp xử lý nền đất yếu phù hợp, giúp tăng tốc độ cố kết, cải thiện sức chịu tải và ổn định nền.
  • Giải pháp cọc xi măng đất và móng cọc không phù hợp về mặt kỹ thuật và kinh tế cho đoạn đường nghiên cứu.
  • Đề xuất áp dụng bấc thấm kết hợp gia tải với thời gian thi công 6-8 tháng, đồng thời sử dụng giếng cát tại các vị trí đặc biệt có lớp đất yếu dày.
  • Khuyến nghị tăng cường giám sát chất lượng thi công và nghiên cứu bổ sung giải pháp xử lý nền phù hợp cho các khu vực có đặc điểm địa chất khác nhau.

Tiếp theo, cần triển khai thực hiện các giải pháp đã đề xuất, đồng thời theo dõi, đánh giá hiệu quả trong quá trình thi công và khai thác để điều chỉnh kịp thời. Các nhà quản lý dự án và kỹ sư địa kỹ thuật nên phối hợp chặt chẽ nhằm đảm bảo thành công của công trình. Để biết thêm chi tiết và hỗ trợ kỹ thuật, quý độc giả và chuyên gia có thể liên hệ với các đơn vị tư vấn chuyên ngành hoặc tham khảo các tài liệu nghiên cứu liên quan.