Tổng quan nghiên cứu

Khu vực Đồng bằng sông Cửu Long nói chung và tỉnh Kiên Giang nói riêng đang trải qua quá trình đô thị hóa mạnh mẽ với hàng loạt dự án mở rộng khu dân cư vượt lũ và phát triển không gian biển. Điển hình như dự án lấn biển Rạch Giá quy mô 425 ha phục vụ 64.000 dân cư hay khu đô thị Hà Tiên với diện tích 96 ha. Tuy nhiên, đặc thù địa hình trũng thấp khiến các công trình thường phải xây dựng trên nền đất yếu, kênh mương san lấp có tầng bùn sét dày từ 3m đến 17m. Tại khu thương mại huyện Giồng Riềng, việc san lấp các tuyến kênh mương cũ để xây dựng nhà phố, đường nội bộ và nhà xưởng chịu tải trọng nhỏ từ 10 đến 25 kN/m2 đang đối mặt với nguy cơ lún sụt nghiêm trọng, nứt vỡ kết cấu và hư hỏng hệ thống thoát nước do độ lún vượt quá giới hạn cho phép 8 cm theo quy định.

Mục tiêu cụ thể của luận văn là nghiên cứu, đánh giá toàn diện các giải pháp xử lý móng trên nền kênh san lấp, tính toán khả năng chịu tải và dự báo biến dạng lún thông qua phương pháp giải tích kết hợp mô phỏng số. Phạm vi nghiên cứu tập trung vào mặt bằng khu thương mại và khu dân cư thị trấn Giồng Riềng, tỉnh Kiên Giang trong giai đoạn năm 2015. Nghiên cứu mang ý nghĩa thực tiễn to lớn khi phân tích so sánh hiệu quả kỹ thuật và kinh tế giữa các giải pháp: nền đệm cát tự nhiên, gia cố cừ tràm, cọc đất trộn xi măng cát và ứng dụng vật liệu kiểm soát cường độ thấp CLSM kết hợp vụn cao su RLS. Kết quả nghiên cứu khẳng định công nghệ gia cố hiện đại có thể nâng mô đun biến dạng của nền đất lên từ 3 đến 30 lần, giải quyết bài toán lún nứt công trình trong điều kiện vật liệu cát đắp ngày càng khan hiếm.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu vận dụng thuyết bền Mohr-Coulomb và thuyết cân bằng giới hạn Mohr-Rankine nhằm xác định trạng thái ứng suất và sức kháng cắt của đất nền theo hàm tuyến tính giữa ứng suất pháp và ứng suất tiếp. Cơ sở tính toán nền móng được thiết lập đồng thời theo hai trạng thái giới hạn dựa trên tiêu chuẩn TCVN 9362:2012: trạng thái giới hạn thứ nhất (TTGH I) kiểm soát điều kiện ổn định, sức chịu tải giới hạn của móng đơn, móng băng và sức chịu tải cực hạn của cọc; trạng thái giới hạn thứ hai (TTGH II) kiểm soát biến dạng lún tuyệt đối và độ lún lệch tương đối giữa các móng liền kề.

Để giải quyết bài toán cọc đất xi măng, luận văn triển khai tính toán dựa trên hai quan điểm: quan điểm cọc đơn chịu tải ma sát và quan điểm khối nền tương đương đồng nhất. Theo quan điểm nền tương đương, các chỉ tiêu lực dính, góc ma sát trong và mô đun biến dạng được nâng cao dựa trên tỷ lệ diện tích thay thế giữa cọc và đất. Bên cạnh đó, nghiên cứu tích hợp cơ sở lý thuyết về vật liệu có cường độ kiểm soát CLSM (Controlled Low Strength Material) và vật liệu đất nhẹ bổ sung vụn cao su RLS (Rubber-added Lightweight Soil). Đây là dạng vật liệu tự lèn chặt có cường độ chịu nén khống chế dưới 8,3 MPa (thông dụng từ 0,3 đến 1,4 MPa) và dung trọng giảm khoảng 3 kN/m3 so với đất tự nhiên, giúp triệt tiêu tải trọng bản thân của khối đắp lên tầng đất yếu.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu địa chất phục vụ nghiên cứu được trích xuất từ báo cáo khảo sát địa kỹ thuật của dự án khu tái định cư thị trấn Giồng Riềng và dự án kè chống xói lở Giồng Riềng. Địa tầng khu vực khảo sát gồm 4 lớp đất chính: Lớp 1 là bùn sét hữu cơ màu xám đen dày 3m ở trạng thái chảy với hệ số rỗng e = 1,711, độ ẩm W = 63,39% và lực dính c = 0,0732 kG/cm2; Lớp 2 là bùn sét xám đen dày 14m; Lớp 3 là sét dẻo cứng dày 6m; Lớp 4 là cát mịn chặt vừa dày 10m.

Cỡ mẫu nghiên cứu được thu thập từ các mũi khoan khảo sát kết hợp phương pháp lấy mẫu nguyên dạng và thí nghiệm bàn nén tĩnh hiện trường. Thí nghiệm bàn nén sử dụng tấm ép cứng đường kính 33 cm, kích thủy lực 5 tấn và cần đo lún Benkelman tỷ lệ 1:2 dưới cấp tải trọng 250 kN/cm2. Phương pháp phân tích được thực hiện kết hợp giữa phương pháp giải tích truyền thống (tính lún cộng lớp phân tố theo tiêu chuẩn TCVN 9362:2012) và phương pháp số phần tử hữu hạn trên phần mềm Plaxis 2D sử dụng mô hình đàn dẻo Mohr-Coulomb. Việc kết hợp này giúp đối chứng chính xác giữa giá trị ứng suất gây lún tính toán và diễn biến biến dạng theo thời gian 365 ngày. Timeline nghiên cứu được thực hiện từ tháng 01/2015 đến tháng 06/2015.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Thứ nhất, đối với phương án nền móng băng đặt trên đệm cát san lấp tự nhiên dày 4m: với tải trọng tính toán Ntc = 897,2 kN và áp lực gây lún Pgltc = 28,43 kN/m2, sức chịu tải tính toán của nền đạt RII = 91,2 kN/m2 lớn hơn tổng ứng suất đáy móng 72,6 kN/m2. Mặc dù thỏa mãn điều kiện ổn định cục bộ lớp đệm, nhưng độ lún cố kết dài hạn sau 1 năm vẫn vượt quá giới hạn 8 cm do tầng bùn sét dày 14m phía dưới chịu ứng suất phụ thêm lớn.

Thứ hai, đối với phương án gia cố cừ tràm mật độ 25 đến 36 cây/m2 với chiều dài cọc 4m và 5m: kết quả thí nghiệm bàn nén hiện trường cho thấy hệ số rỗng giảm xuống còn 60% so với ban đầu, sức chịu tải của lớp bùn sét tăng từ 1,2 đến 1,45 lần. Tuy nhiên, do cừ tràm chỉ dài tối đa 5m nên toàn bộ khối gia cố vẫn nằm lơ lửng trong tầng bùn sét dày 17m, dẫn đến tổng độ lún công trình vẫn ở mức cao và dễ phát sinh lún lệch khi mực nước ngầm thay đổi.

Thứ ba, đối với giải pháp cọc đất - cát trộn xi măng và vật liệu CLSM: mô đun biến dạng của khối đất sau gia cố tăng vọt từ 3 đến 30 lần so với nền đất tự nhiên (từ giá trị ban đầu Eo = 150 - 479,4 kN/m2 lên trên 40.000 kN/m2). Khi phân tích mô phỏng bằng Plaxis 2D với cọc có chiều dài L = 8m và L = 16m, tổng độ lún của công trình giảm từ 50% đến 75% so với phương án đệm cát, khống chế độ lún nằm an toàn dưới ngưỡng 5 cm.

Thứ tư, đối với vật liệu đất nhẹ RLS (hàm lượng xi măng 10% kết hợp 50% vụn cao su): dung trọng khối đắp nhẹ hơn đất tự nhiên khoảng 3 kN/m3 trong khi sức kháng cắt tăng từ 15% đến 30%, đáp ứng đầy đủ các tiêu chuẩn kỹ thuật về đất đắp theo quy định hiện hành.

Thảo luận kết quả

Hiệu quả vượt trội của giải pháp cọc đất xi măng và vật liệu CLSM xuất phát từ cơ chế truyền tải trọng trực tiếp xuống các tầng đất sâu có khả năng chịu lực tốt hơn như lớp sét dẻo cứng và cát mịn ở độ sâu dưới 17m. Điều này giúp triệt tiêu áp lực nước lỗ rỗng thặng dư và hạn chế quá trình nén cố kết trong tầng bùn sét hữu cơ bề mặt. So sánh với các nghiên cứu quốc tế của Law tại Bangkok (cường độ nén nở hông tăng 4 lần với 5% xi măng) và nghiên cứu của Miura, kết quả của luận văn chứng minh tính tương thích rất cao với bùn sét khu vực Tây Nam Bộ.

Dữ liệu nghiên cứu được biểu diễn trực quan qua các đồ thị quan hệ áp lực - biến dạng, biểu đồ phân bố ứng suất hữu hiệu và đường cong độ lún theo thời gian 365 ngày trong Plaxis 2D. Các bảng so sánh chỉ tiêu cơ lý quy đổi và biến dạng lún giữa 4 giải pháp cung cấp cơ sở tin cậy giúp người kỹ sư lựa chọn phương án móng tối ưu nhất cho từng loại công trình cụ thể.

Đề xuất và khuyến nghị

Thứ nhất, ưu tiên áp dụng giải pháp cọc đất - cát trộn xi măng hoặc vật liệu CLSM cho các công trình nhà phố, khu thương mại và nhà xưởng có tải trọng từ 10 đến 25 kN/m2 xây dựng trên nền kênh mương san lấp, nhằm mục tiêu kiểm soát độ lún tuyệt đối dưới 5 cm trong suốt vòng đời công trình. Thời gian hoàn thành thiết kế và thi công móng từ 2 đến 4 tháng. Chủ thể thực hiện: Các đơn vị tư vấn thiết kế và nhà thầu xây dựng công trình ngầm.

Thứ hai, thực hiện đầy đủ thí nghiệm nén một trục nở hông qu và thí nghiệm bàn nén hiện trường với tải trọng 250 kN/cm2 để xác định chính xác tỷ lệ phối trộn xi măng tối ưu trong khoảng 150 đến 250 kg/m3 đất, nhằm đảm bảo mô đun biến dạng đạt trên 40.000 kN/m2. Thời gian triển khai: 30 ngày trước khi tiến hành thi công đại trà. Chủ thể thực hiện: Phòng thí nghiệm địa kỹ thuật và đơn vị kiểm định chất lượng.

Thứ ba, tận dụng nguồn phế thải vụn cao su và cát địa phương để sản xuất vật liệu đất nhẹ RLS làm lớp đắp nền đường nội bộ và mái kè bảo vệ, hướng tới mục tiêu giảm 15% đến 20% chi phí vật liệu san lấp và giảm 3 kN/m3 áp lực bản thân nền. Thời gian triển khai: theo tiến độ xây dựng hạ tầng từ 6 đến 12 tháng. Chủ thể thực hiện: Chủ đầu tư dự án và Ban Quản lý dự án đầu tư xây dựng huyện Giồng Riềng.

Thứ tư, chuẩn hóa quy trình mô phỏng số Plaxis 2D kết hợp kiểm toán theo TCVN 9362:2012 vào quy chế thẩm tra thiết kế kỹ thuật cho các khu đô thị lấn biển và vùng ngập lũ. Thời gian áp dụng: liên tục từ năm 2016. Chủ thể thực hiện: Sở Xây dựng tỉnh Kiên Giang và các cơ quan quản lý quy hoạch đô thị.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

Thứ nhất, kỹ sư thiết kế kết cấu và địa kỹ thuật công trình: Tiếp cận quy trình tính toán giải tích chi tiết, phương pháp xác định thông số nền tương đương và ứng dụng mô hình Mohr-Coulomb trong Plaxis 2D để xử lý nền móng chịu tải từ 10 đến 25 kN/m2 trên bùn sét dày.

Thứ hai, chỉ huy trưởng và kỹ sư thi công hạ tầng đô thị: Nắm vững kỹ thuật thi công cọc trộn nông và phối trộn vật liệu CLSM/RLS, giúp thi công nhanh chóng trong không gian chật hẹp, hạn chế rung chấn và bảo vệ an toàn cho các công trình lân cận.

Thứ ba, chủ đầu tư và ban quản lý dự án bất động sản tại Đồng bằng sông Cửu Long: Có cơ sở dữ liệu định lượng để so sánh hiệu quả kinh tế - kỹ thuật giữa móng cừ tràm truyền thống và cọc đất xi măng, từ đó tối ưu hóa chi phí đầu tư và đảm bảo công trình không bị lún vượt quá 8 cm.

Thứ tư, giảng viên, nghiên cứu viên và học viên cao học ngành Kỹ thuật Xây dựng công trình ngầm, Địa kỹ thuật: Sử dụng làm tài liệu tham khảo học thuật giá trị về bài toán tương tác đất - kết cấu trên nền kênh rạch san lấp và tiềm năng ứng dụng vật liệu tái chế trong xây dựng bền vững.

Câu hỏi thường gặp

Địa chất nền kênh san lấp tại khu vực Giồng Riềng có những đặc tính bất lợi nào? Nền đất có tầng bùn sét yếu rất dày lên tới 17m, bao gồm lớp 1 bùn sét hữu cơ dày 3m có hệ số rỗng e = 1,711 và độ ẩm 63,39% ở trạng thái chảy, nằm trên lớp 2 bùn sét xám đen dày 14m. Địa tầng này có sức chịu tải rất kém và độ lún cố kết kéo dài nhiều năm.

Vì sao giải pháp đóng cừ tràm truyền thống bộc lộ nhiều hạn chế trên nền kênh san lấp sâu? Cừ tràm có chiều dài giới hạn từ 4m đến 5m với mật độ 25 đến 36 cây/m2 nên không thể ngàm vào lớp sét dẻo cứng ở độ sâu 17m. Khi mực nước ngầm hạ thấp, cừ tràm dễ bị mục nát, khiến toàn bộ khối móng bị treo trên nền bùn yếu và gây lún lệch công trình.

Ưu điểm nổi bật của vật liệu CLSM và RLS so với vật liệu cát đắp thông thường là gì? Vật liệu CLSM có tính tự lèn chặt cao với cường độ nén kiểm soát từ 0,3 đến 1,4 MPa. Khi phối trộn 50% vụn cao su tạo thành RLS, dung trọng giảm 3 kN/m3 giúp triệt tiêu tải trọng bản thân và tăng sức kháng cắt thêm 15% đến 30% so với đất tự nhiên.

Phương pháp mô phỏng Plaxis 2D hỗ trợ gì cho quá trình tính toán giải tích? Plaxis 2D mô phỏng chính xác trạng thái ứng suất - biến dạng phi tuyến, phân tích tương tác phức tạp giữa cọc và đất nền, đồng thời cung cấp biểu đồ lún theo thời gian 365 ngày giúp kiểm chứng độ tin cậy của phương pháp giải tích theo TCVN 9362:2012.

Giải pháp cọc đất trộn xi măng cát phù hợp nhất với những loại công trình nào? Giải pháp này đặc biệt tối ưu cho các công trình nhà phố 2 đến 3 tầng, đường nội bộ, nhà xưởng có tải trọng từ 10 đến 25 kN/m2 xây dựng trên nền bùn sâu, yêu cầu tiến độ thi công nhanh và khống chế độ lún nghiêm ngặt dưới 5 cm.

Kết luận

  • Luận văn đã đánh giá toàn diện đặc trưng cơ lý của tầng bùn sét yếu dày 17m tại khu thương mại huyện Giồng Riềng với độ rỗng lớn và trạng thái chảy.
  • Chứng minh giải pháp cọc đất - cát trộn xi măng giúp nâng cao mô đun biến dạng của nền đất từ 3 đến 30 lần so với nền đất tự nhiên.
  • Khẳng định tính khả thi vượt trội của vật liệu đất nhẹ RLS chứa 50% vụn cao su trong việc giảm 3 kN/m3 dung trọng và tăng 15% đến 30% sức kháng cắt.
  • Xây dựng thành công quy trình kết hợp giữa tính toán giải tích theo TCVN 9362:2012 và mô phỏng số bằng phần mềm Plaxis 2D.
  • Đề xuất giải pháp kỹ thuật móng an toàn, bền vững thay thế cừ tràm truyền thống cho các dự án đô thị vùng Đồng bằng sông Cửu Long.

Đóng góp chính của đề tài là cung cấp giải pháp xử lý nền san lấp kênh mương hiệu quả cao, vừa kiểm soát triệt để biến dạng lún vừa tận dụng vật liệu phế thải cao su để bảo vệ môi trường.

Hướng nghiên cứu tiếp theo trong lộ trình 12 đến 24 tháng cần khảo sát sâu hơn về ảnh hưởng của độ mặn, độ pH và sự dao động của mực nước ngầm đến độ bền lâu dài của hỗn hợp xi măng đất.

Các cơ quan quản lý xây dựng và chủ đầu tư tại tỉnh Kiên Giang nên nhanh chóng đưa giải pháp cọc trộn nông CLSM và RLS vào tiêu chuẩn thiết kế hạ tầng khu dân cư vượt lũ nhằm nâng cao chất lượng công trình và tiết kiệm ngân sách xây dựng.