Tổng quan nghiên cứu

Thành phố Quy Nhơn, với mật độ dân số khoảng 350.000 người trên diện tích 286 km², đang trong quá trình đô thị hóa nhanh chóng, đòi hỏi các công trình bảo vệ môi trường được đầu tư xây dựng nhằm giảm thiểu ô nhiễm và nâng cao chất lượng sống. Trong đó, dự án nhà máy xử lý nước thải bằng công nghệ hóa chất tăng cường (CEPT) tại phường Nhơn Bình, Quy Nhơn, được đặt trên nền đất yếu với đặc điểm chủ yếu là đất sét và á sét bão hòa nước, có tính nén lún lớn và sức chịu tải thấp. Việc thi công trên nền đất yếu này gây ra nhiều thách thức về ổn định công trình do biến dạng và thay đổi ứng suất trong đất nền.

Mục tiêu nghiên cứu tập trung vào việc đánh giá tính chất cơ lý của đất yếu tại khu vực xây dựng, khảo sát các giải pháp xử lý nền đất yếu phù hợp, đặc biệt là phương pháp sử dụng cọc bê tông cốt thép và cọc xi măng đất, nhằm đảm bảo sự ổn định, giảm thiểu lún và duy trì điều kiện làm việc bình thường cho nhà máy xử lý nước thải. Phạm vi nghiên cứu bao gồm khảo sát địa chất, phân tích tính chất đất nền, mô phỏng và tính toán ổn định nền đất yếu trong giai đoạn thi công và vận hành công trình.

Ý nghĩa của nghiên cứu được thể hiện qua việc cung cấp cơ sở khoa học và kỹ thuật cho việc lựa chọn giải pháp xử lý nền đất yếu hiệu quả, góp phần nâng cao độ bền vững và tuổi thọ công trình, đồng thời giảm thiểu rủi ro kỹ thuật và chi phí xây dựng. Kết quả nghiên cứu cũng hỗ trợ các nhà quản lý và kỹ sư trong việc thiết kế và thi công các công trình tương tự trên nền đất yếu tại các vùng đồng bằng ven biển Việt Nam.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn áp dụng hai khung lý thuyết chính trong xử lý nền đất yếu:

  1. Lý thuyết tính toán sức chịu tải cọc bê tông cốt thép: Bao gồm các phương pháp xác định sức chịu tải dọc trục của cọc đơn dựa trên điều kiện vật liệu và đất nền, tính toán sức kháng mũi và sức kháng bên của cọc, cũng như các công thức tĩnh, động và dựa trên sức kháng xuyên. Các khái niệm chính gồm sức chịu tải cực hạn, hệ số an toàn, ứng suất vật liệu, và ảnh hưởng của cột đất chèn trong cọc không bịt mũi.

  2. Lý thuyết tính toán cọc xi măng đất bằng công nghệ khoan phụt vữa xi măng áp lực cao (Jet Grouting): Phương pháp này dựa trên nguyên lý trộn sâu đất với vữa xi măng để gia cố nền đất yếu, tăng cường độ chịu tải và giảm biến dạng. Các khái niệm quan trọng bao gồm mô đun đàn hồi của đất gia cố, tính toán theo trạng thái giới hạn, và các công nghệ thi công trộn khô và trộn ướt.

Các khái niệm chuyên ngành được sử dụng gồm: mô đun biến dạng (Eo), hệ số rỗng (e), góc ma sát trong (ϕ), lực dính (C), sức kháng mũi (qp), sức kháng bên (fs), hệ số an toàn (Fs), và các chỉ tiêu cơ lý của đất sét mềm, bùn và than bùn.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu chính được thu thập từ khảo sát địa chất, địa hình, mực nước ngầm khu vực xây dựng nhà máy xử lý nước thải tại Quy Nhơn, kết hợp với tài liệu chuyên ngành và các tiêu chuẩn kỹ thuật hiện hành. Phương pháp nghiên cứu bao gồm:

  • Phân tích lý thuyết: Tổng hợp và đánh giá các phương pháp xử lý nền đất yếu, cơ sở tính toán sức chịu tải cọc bê tông cốt thép và cọc xi măng đất.

  • Mô phỏng và tính toán: Sử dụng phần mềm Plaxis để mô phỏng ứng xử nền đất yếu dưới tải trọng công trình, phân tích chuyển vị, ứng suất và ổn định nền đất khi áp dụng các giải pháp xử lý khác nhau.

  • Phân tích số liệu thực nghiệm: Dựa trên các chỉ tiêu cơ lý của đất nền và vật liệu gia cố, kết hợp với kết quả thí nghiệm nén tĩnh cọc và thử tải động để đánh giá hiệu quả các giải pháp xử lý.

Quy trình nghiên cứu được thực hiện trong khoảng thời gian từ năm 2013 đến 2014, với cỡ mẫu khảo sát địa chất và thí nghiệm phù hợp với quy mô công trình. Phương pháp chọn mẫu dựa trên đặc điểm phân bố đất yếu tại khu vực xây dựng, đảm bảo tính đại diện và độ tin cậy của dữ liệu.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Đặc tính cơ lý đất yếu tại Quy Nhơn: Đất nền chủ yếu là đất sét mềm và á sét với mô đun biến dạng Eo < 50 daN/cm², hệ số rỗng e > 1, tính nén lún lớn và sức chịu tải thấp khoảng 0,5 - 1,0 daN/cm². Mực nước ngầm cao làm tăng độ bão hòa, gây khó khăn trong thi công và ổn định nền móng.

  2. Hiệu quả xử lý nền bằng cọc bê tông cốt thép: Tính toán và mô phỏng cho thấy giải pháp sử dụng cọc bê tông cốt thép đúc sẵn với kích thước 0,2 - 0,4 m, chiều dài phù hợp, có thể nâng cao sức chịu tải nền lên đến 150-200 kPa, giảm độ lún công trình xuống dưới 10% so với nền chưa xử lý. Chuyển vị đứng và ngang dưới tải trọng máy xây dựng được kiểm soát trong giới hạn cho phép.

  3. Hiệu quả xử lý nền bằng cọc xi măng đất (Jet Grouting): Công nghệ trộn sâu áp lực cao giúp gia cố đất yếu với mô đun đàn hồi tăng gấp 2-3 lần so với đất tự nhiên, giảm độ nén lún và tăng cường độ chịu tải. Mô phỏng Plaxis cho thấy chuyển vị tổng thể nền giảm khoảng 30-40% so với nền chưa gia cố, phù hợp với yêu cầu kỹ thuật và tiến độ thi công.

  4. So sánh hai giải pháp xử lý: Cọc bê tông cốt thép có ưu điểm về khả năng chịu tải lớn, thi công nhanh, phù hợp với tải trọng công trình lớn. Trong khi đó, cọc xi măng đất thích hợp với điều kiện địa chất phức tạp, mực nước ngầm cao và khu vực thi công chật hẹp. Việc lựa chọn giải pháp cần cân nhắc giữa chi phí, tiến độ và điều kiện thực tế.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính của các biến dạng nền đất yếu là do đặc tính cơ lý kém của đất sét mềm và á sét, cùng với ảnh hưởng của mực nước ngầm cao làm giảm sức chịu tải và tăng độ nén lún. Việc áp dụng các giải pháp gia cố như cọc bê tông cốt thép và cọc xi măng đất đã chứng minh hiệu quả trong việc cải thiện tính ổn định nền móng.

So với các nghiên cứu trước đây tại các vùng đồng bằng Bắc Bộ và Nam Bộ, kết quả nghiên cứu tại Quy Nhơn phù hợp với đặc điểm địa chất ven biển miền Trung, đồng thời bổ sung thêm dữ liệu thực nghiệm và mô phỏng chi tiết cho công trình xử lý nước thải. Việc sử dụng phần mềm Plaxis giúp trực quan hóa các biến dạng và ứng suất nền đất, hỗ trợ đánh giá chính xác hiệu quả các giải pháp xử lý.

Ý nghĩa của kết quả nghiên cứu không chỉ nằm ở việc đảm bảo an toàn công trình mà còn góp phần giảm thiểu chi phí bảo trì, nâng cao tuổi thọ công trình và giảm thiểu tác động môi trường trong quá trình thi công và vận hành nhà máy xử lý nước thải.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Áp dụng giải pháp cọc bê tông cốt thép đúc sẵn: Triển khai thi công cọc bê tông cốt thép với kích thước 0,3x0,3 m, chiều dài phù hợp theo tính toán, nhằm nâng cao sức chịu tải nền và giảm lún công trình. Thời gian thi công dự kiến trong vòng 3-4 tháng, do nhà thầu chuyên nghiệp thực hiện.

  2. Sử dụng công nghệ cọc xi măng đất (Jet Grouting): Áp dụng công nghệ trộn sâu áp lực cao để gia cố các lớp đất yếu dày, đặc biệt tại các vị trí có mực nước ngầm cao hoặc khu vực thi công hạn chế không gian. Thời gian thi công khoảng 2-3 tháng, cần đội ngũ kỹ thuật có kinh nghiệm vận hành thiết bị.

  3. Kết hợp biện pháp gia tải trước và thiết bị tiêu nước thẳng đứng: Thực hiện gia tải trước bằng khối đắp tạm thời kết hợp lắp đặt bấc thấm hoặc giếng cát để tăng tốc độ cố kết đất nền, giảm thời gian chờ đợi trước khi thi công công trình chính. Thời gian gia tải dự kiến 4-6 tháng tùy điều kiện thực tế.

  4. Tăng cường công tác khảo sát và giám sát thi công: Đề nghị chủ đầu tư và đơn vị thi công tăng cường khảo sát địa chất chi tiết, theo dõi biến dạng nền đất và mực nước ngầm trong suốt quá trình thi công để điều chỉnh kịp thời các biện pháp xử lý. Sử dụng thiết bị đo chuyển vị và áp lực nước lỗ rỗng để đảm bảo an toàn công trình.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Kỹ sư địa kỹ thuật và xây dựng công trình: Nghiên cứu cung cấp cơ sở lý thuyết và thực tiễn về xử lý nền đất yếu, giúp kỹ sư lựa chọn giải pháp phù hợp cho các công trình xây dựng trên nền đất yếu.

  2. Chủ đầu tư và nhà quản lý dự án: Tham khảo để hiểu rõ các phương án xử lý nền đất yếu, đánh giá chi phí, tiến độ và hiệu quả kỹ thuật nhằm ra quyết định đầu tư hợp lý.

  3. Giảng viên và sinh viên ngành xây dựng, địa kỹ thuật: Tài liệu tham khảo học thuật, bổ sung kiến thức về tính chất đất yếu, các phương pháp gia cố nền móng và ứng dụng phần mềm mô phỏng.

  4. Các nhà nghiên cứu và chuyên gia công nghệ xử lý nền đất: Cung cấp dữ liệu thực nghiệm, mô hình tính toán và đánh giá hiệu quả các công nghệ xử lý nền đất yếu, làm cơ sở phát triển nghiên cứu tiếp theo.

Câu hỏi thường gặp

  1. Tại sao phải xử lý nền đất yếu trước khi xây dựng công trình?
    Nền đất yếu có sức chịu tải thấp, tính nén lún lớn và dễ biến dạng, nếu không xử lý sẽ gây sụt lún, nứt nẻ công trình, ảnh hưởng đến an toàn và tuổi thọ. Ví dụ, tại Quy Nhơn, đất sét mềm có mô đun biến dạng thấp dưới 50 daN/cm², cần gia cố để đảm bảo ổn định.

  2. Giải pháp xử lý nền đất yếu nào phù hợp cho nhà máy xử lý nước thải tại Quy Nhơn?
    Hai giải pháp chính là sử dụng cọc bê tông cốt thép đúc sẵn và cọc xi măng đất (Jet Grouting). Cọc bê tông cốt thép phù hợp với tải trọng lớn, thi công nhanh; cọc xi măng đất thích hợp với điều kiện địa chất phức tạp và mực nước ngầm cao.

  3. Phần mềm Plaxis được sử dụng như thế nào trong nghiên cứu?
    Plaxis là phần mềm mô phỏng phần tử hữu hạn chuyên dụng cho địa kỹ thuật, giúp phân tích ứng xử nền đất yếu dưới tải trọng công trình, dự báo chuyển vị, ứng suất và đánh giá hiệu quả các giải pháp gia cố.

  4. Thời gian thi công các giải pháp xử lý nền đất yếu là bao lâu?
    Gia tải trước và tiêu nước thẳng đứng có thể kéo dài 4-6 tháng; thi công cọc bê tông cốt thép khoảng 3-4 tháng; công nghệ Jet Grouting khoảng 2-3 tháng, tùy thuộc điều kiện thực tế và quy mô công trình.

  5. Làm thế nào để giám sát hiệu quả xử lý nền đất yếu trong quá trình thi công?
    Sử dụng thiết bị đo chuyển vị, áp lực nước lỗ rỗng, thí nghiệm nén tĩnh và thử tải động cọc để theo dõi biến dạng và sức chịu tải nền, từ đó điều chỉnh biện pháp thi công kịp thời nhằm đảm bảo an toàn công trình.

Kết luận

  • Đất nền tại khu vực xây dựng nhà máy xử lý nước thải Quy Nhơn chủ yếu là đất sét mềm và á sét có đặc tính cơ lý yếu, cần xử lý nền trước khi thi công.
  • Hai giải pháp xử lý nền đất yếu hiệu quả được đề xuất là cọc bê tông cốt thép đúc sẵn và cọc xi măng đất (Jet Grouting), phù hợp với điều kiện địa chất và yêu cầu kỹ thuật công trình.
  • Mô phỏng bằng phần mềm Plaxis cho thấy các giải pháp này giúp giảm chuyển vị và tăng sức chịu tải nền, đảm bảo ổn định công trình trong quá trình thi công và vận hành.
  • Đề xuất kết hợp gia tải trước và thiết bị tiêu nước thẳng đứng để rút ngắn thời gian cố kết đất nền, nâng cao hiệu quả xử lý.
  • Khuyến nghị tăng cường khảo sát, giám sát thi công và áp dụng các phương pháp thử tải để đảm bảo an toàn và chất lượng công trình.

Tiếp theo, các bên liên quan nên triển khai thực hiện các giải pháp đã đề xuất, đồng thời theo dõi, đánh giá thực tế để điều chỉnh phù hợp, góp phần nâng cao hiệu quả và bền vững của công trình nhà máy xử lý nước thải tại Quy Nhơn.