Tổng quan nghiên cứu

Trong bối cảnh phát triển kinh tế xã hội và các chương trình an sinh của Nhà nước, nhu cầu xây dựng các công trình dân dụng tại vùng nông thôn tỉnh Đồng Tháp ngày càng tăng cao. Theo báo cáo địa chất công trình, nhiều khu vực như huyện Tháp Mười, Châu Thành, Lai Vung có nền đất yếu với lớp bùn nhão dày từ 20 đến 30m, chỉ số SPT gần bằng 0, góc ma sát trong trung bình khoảng 3 độ và lực dính rất thấp, dẫn đến sức chịu tải nền rất kém. Các giải pháp truyền thống như sử dụng cừ tràm hay cọc bê tông cốt thép đang bộc lộ nhiều hạn chế về chi phí, độ ổn định và khả năng chịu tải lâu dài. Cừ tràm có chiều dài giới hạn, yêu cầu ngập trong mực nước ngầm, dễ gây lún lớn và biến dạng theo thời gian; trong khi cọc bê tông cốt thép có chi phí cao, khó thi công ở vùng sâu, vùng xa và không tận dụng được khả năng chịu tải của nền đất yếu.

Mục tiêu nghiên cứu là đánh giá hiệu quả kỹ thuật và kinh tế của phương pháp gia cố nền đất yếu bằng cọc đất gia cố xi măng đường kính nhỏ cho nhà dân dụng thấp tầng tại huyện Tháp Mười, tỉnh Đồng Tháp. Nghiên cứu tập trung phân tích chỉ tiêu cơ lý của đất trước và sau gia cố, khả năng chịu lực và ổn định nền đất, đồng thời đề xuất quy trình thi công phù hợp với điều kiện địa phương. Phạm vi nghiên cứu bao gồm ba công trình thực tế xây dựng trên nền đất yếu tại huyện Tháp Mười, với thời gian nghiên cứu từ năm 2018 đến 2019. Kết quả nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc cung cấp giải pháp xử lý nền móng hiệu quả, tiết kiệm chi phí và nâng cao độ bền vững cho các công trình dân dụng tại vùng đất yếu Đồng bằng sông Cửu Long.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu dựa trên các lý thuyết và mô hình về cọc đất gia cố xi măng, bao gồm:

  • Nguyên lý hình thành cường độ của trụ đất xi măng: Quá trình trộn xi măng với đất nền tạo ra các phản ứng thủy hóa, sinh ra các sản phẩm hydrat calcium silicat (CSH) và hydrat calcium aluminate (CAH), làm tăng cường độ và tính bền của đất. Đặc biệt, phản ứng pozzolan giữa xi măng và các khoáng vật trong đất giúp tạo liên kết bền vững, tăng sức kháng cắt và giảm độ nén lún.

  • Mô hình tính toán sức chịu tải trụ đơn và nhóm trụ: Sức chịu tải của trụ xi măng đất được xác định bởi sức kháng cắt của đất nền xung quanh và vật liệu trụ. Công thức tính sức chịu tải giới hạn ngắn hạn và khả năng chịu lực tới hạn của nhóm trụ được áp dụng để đánh giá ổn định công trình.

  • Phân tích độ lún ổn định nền gia cố: Độ lún tổng của nền được tính bằng tổng độ lún của khối gia cố và độ lún của đất nền không xử lý bên dưới. Mô hình giả định biến dạng đồng đều giữa trụ xi măng đất và đất nền xung quanh, với các công thức tính toán dựa trên mô đun đàn hồi và áp lực tác dụng.

Các khái niệm chính bao gồm: cường độ nén nở hông (qu), mô đun đàn hồi (E50), hệ số Poisson, lực dính (C), góc ma sát trong (φ), và các dạng bố trí trụ đất xi măng (đơn, dải, lưới tam giác, khối).

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu sử dụng kết hợp phương pháp lý thuyết, thí nghiệm trong phòng và thử nghiệm hiện trường:

  • Nguồn dữ liệu: Thu thập số liệu địa chất, chỉ tiêu cơ lý đất nền yếu tại huyện Tháp Mười và các công trình thực tế đã thi công. Thí nghiệm nén một trục nở hông, cắt trực tiếp và lấy mẫu lõi cọc xi măng đất tại các công trình UBND xã Mỹ Hòa, Trường Mẫu giáo Đốc Binh Kiều và Trường Mẫu giáo Nha Mân.

  • Phương pháp phân tích: Phân tích mối quan hệ giữa hàm lượng xi măng và cường độ nén đơn trục, đánh giá sức chịu tải trụ đơn và nhóm trụ theo mô hình lý thuyết. Tính toán độ lún nền dựa trên mô hình biến dạng đồng đều và áp lực tác dụng. So sánh kết quả thí nghiệm với tính toán để hiệu chỉnh mô hình.

  • Timeline nghiên cứu: Nghiên cứu được thực hiện trong năm 2018-2019, bao gồm giai đoạn khảo sát địa chất, thí nghiệm mẫu trong phòng, thi công và thử nghiệm hiện trường, phân tích dữ liệu và đề xuất giải pháp.

Phương pháp chọn mẫu thí nghiệm dựa trên tiêu chuẩn ASTM D2166 và TCVN 9403:2012, với cỡ mẫu khoảng 50-100 mẫu đất và cọc xi măng đất để đảm bảo tính đại diện và độ tin cậy của kết quả.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Ảnh hưởng hàm lượng xi măng đến cường độ đất gia cố: Kết quả thí nghiệm nén một trục nở hông cho thấy cường độ nén qu tăng tuyến tính theo hàm lượng xi măng. Ví dụ, tại công trình UBND xã Mỹ Hòa, cường độ qu đạt khoảng 450 kPa với hàm lượng xi măng 15% sau 28 ngày bảo dưỡng, tăng hơn 3 lần so với đất tự nhiên. Tương tự, tại Trường Mẫu giáo Đốc Binh Kiều, qu đạt 480 kPa với hàm lượng xi măng 18%.

  2. Khả năng chịu tải trụ đơn và nhóm trụ: Tính toán sức chịu tải giới hạn ngắn hạn của trụ xi măng đất đơn với đường kính 0.6m và chiều dài 5m đạt khoảng 150 kN, phù hợp với tải trọng móng nhà dân dụng thấp tầng. Khả năng chịu tải nhóm trụ được xác định theo công thức Qgh,nhóm = 2CuH(B+L) + (6÷9)Cu2BL, với hệ số an toàn đề xuất là 2.5. So sánh với các công trình thực tế, tải trọng truyền xuống nền gia cố không vượt quá 60% sức chịu tải giới hạn, đảm bảo an toàn.

  3. Độ lún nền sau gia cố: Độ lún tổng cộng của nền gia cố được tính bằng tổng độ lún khối gia cố và độ lún đất nền bên dưới. Tại công trình Trường THCS Trường Xuân, độ lún sau gia cố giảm khoảng 40% so với nền đất tự nhiên, từ khoảng 50 mm xuống còn 30 mm sau 90 ngày khai thác. Độ lún này nằm trong giới hạn cho phép đối với nhà dân dụng thấp tầng.

  4. Hiệu quả thi công và chất lượng trụ đất xi măng: Thí nghiệm khoan lấy lõi và nén tĩnh cọc đơn tại hiện trường cho thấy cường độ mẫu lõi đạt từ 350 đến 500 kPa, tương đương với kết quả thí nghiệm phòng. Khối lượng thi công cọc xi măng đất tại các công trình đạt khoảng 1000 m3, đảm bảo tiến độ và chất lượng theo thiết kế.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính của sự gia tăng cường độ và ổn định nền là do phản ứng thủy hóa xi măng với đất nền yếu, tạo ra các sản phẩm hydrat bền vững làm tăng liên kết hạt đất. Kết quả phù hợp với các nghiên cứu quốc tế tại Nhật Bản và Thụy Điển, nơi công nghệ cọc xi măng đất đã được ứng dụng rộng rãi. So với phương pháp truyền thống như cừ tràm và cọc bê tông cốt thép, giải pháp cọc đất gia cố xi măng đường kính nhỏ mang lại hiệu quả kinh tế cao hơn, giảm chi phí vận chuyển và thi công, đồng thời cải thiện đáng kể độ lún và sức chịu tải.

Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ mối quan hệ hàm lượng xi măng - cường độ nén đơn trục, bảng tổng hợp sức chịu tải trụ đơn và nhóm trụ, cũng như biểu đồ so sánh độ lún nền trước và sau gia cố. Các kết quả này minh chứng tính khả thi và hiệu quả của phương pháp trong điều kiện địa chất Đồng bằng sông Cửu Long.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Áp dụng rộng rãi công nghệ cọc đất gia cố xi măng đường kính nhỏ cho các công trình nhà dân dụng thấp tầng tại vùng đất yếu huyện Tháp Mười trong vòng 3 năm tới nhằm giảm chi phí xử lý nền và tăng độ ổn định công trình.

  2. Xây dựng quy trình thi công tiêu chuẩn bao gồm kiểm soát hàm lượng xi măng (từ 15-20%), chiều dài và đường kính trụ phù hợp với đặc điểm địa chất địa phương, do các đơn vị thi công và tư vấn thiết kế thực hiện nhằm đảm bảo chất lượng và hiệu quả gia cố.

  3. Tăng cường đào tạo và chuyển giao công nghệ cho các kỹ sư, công nhân xây dựng tại địa phương về kỹ thuật thi công và kiểm tra chất lượng cọc xi măng đất, nhằm nâng cao năng lực thi công và giám sát trong 2 năm tới.

  4. Thực hiện giám sát và đánh giá hiện trường định kỳ trong quá trình và sau thi công để theo dõi biến dạng, độ lún và sức chịu tải của nền gia cố, từ đó điều chỉnh thiết kế và thi công phù hợp, do các cơ quan quản lý xây dựng và chủ đầu tư phối hợp thực hiện.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Chủ đầu tư xây dựng: Nhận được giải pháp xử lý nền móng hiệu quả, tiết kiệm chi phí và đảm bảo độ bền công trình, đặc biệt trong các dự án nhà dân dụng thấp tầng tại vùng đất yếu.

  2. Đơn vị tư vấn thiết kế và thi công: Áp dụng mô hình tính toán và quy trình thi công cọc đất gia cố xi măng phù hợp với điều kiện địa phương, nâng cao chất lượng và hiệu quả công trình.

  3. Cơ quan quản lý xây dựng và thẩm định: Sử dụng kết quả nghiên cứu để đánh giá, thẩm tra các dự án xử lý nền móng, đảm bảo an toàn và tuân thủ tiêu chuẩn kỹ thuật.

  4. Các nhà nghiên cứu và sinh viên ngành kỹ thuật xây dựng: Tham khảo cơ sở lý thuyết, phương pháp thí nghiệm và ứng dụng thực tế trong xử lý nền đất yếu, phục vụ cho các nghiên cứu tiếp theo và phát triển công nghệ mới.

Câu hỏi thường gặp

  1. Cọc đất gia cố xi măng là gì và có ưu điểm gì?
    Cọc đất gia cố xi măng là trụ tròn được tạo thành bằng cách trộn xi măng với đất nền tại chỗ, làm tăng cường độ và giảm độ lún của nền đất yếu. Ưu điểm gồm chi phí thấp, thi công nhanh, phù hợp với nhiều loại đất và điều kiện thi công phức tạp.

  2. Hàm lượng xi măng tối ưu để gia cố đất yếu là bao nhiêu?
    Theo kết quả thí nghiệm, hàm lượng xi măng từ 15% đến 20% theo khối lượng đất là tối ưu, giúp tăng cường độ nén đơn trục lên gấp 3-4 lần so với đất tự nhiên sau 28 ngày bảo dưỡng.

  3. Phương pháp thi công cọc đất xi măng phổ biến hiện nay?
    Các công nghệ thi công gồm Jet-Grouting (khoan phụt vữa cao áp), trộn ướt (CDM) và trộn khô (Dry Jet Mixing). Mỗi phương pháp có ưu nhược điểm riêng, lựa chọn phù hợp tùy theo điều kiện địa chất và yêu cầu công trình.

  4. Cọc đất xi măng có thể áp dụng cho loại công trình nào?
    Phù hợp với nhà dân dụng thấp tầng (tối đa 3 tầng), công trình giao thông, thủy lợi, sân bay, bến cảng và các công trình có nền đất yếu cần gia cố ổn định và giảm lún.

  5. Làm thế nào để kiểm tra chất lượng cọc đất xi măng sau thi công?
    Kiểm tra bằng phương pháp khoan lấy lõi, thí nghiệm nén tĩnh cọc đơn, đo biến dạng và độ lún hiện trường. Kết quả so sánh với tiêu chuẩn thiết kế để đánh giá chất lượng và hiệu quả gia cố.

Kết luận

  • Nghiên cứu đã chứng minh hiệu quả kỹ thuật và kinh tế của phương pháp cọc đất gia cố xi măng đường kính nhỏ trong xử lý nền đất yếu tại huyện Tháp Mười, tỉnh Đồng Tháp.
  • Cường độ nén đơn trục của đất gia cố tăng gấp 3-4 lần với hàm lượng xi măng 15-20%, độ lún nền giảm khoảng 40% so với đất tự nhiên.
  • Mô hình tính toán sức chịu tải và độ lún nền phù hợp với kết quả thí nghiệm và thực tế thi công, đảm bảo an toàn cho nhà dân dụng thấp tầng.
  • Đề xuất quy trình thi công và kiểm soát chất lượng phù hợp với điều kiện địa phương, góp phần nâng cao hiệu quả xử lý nền móng.
  • Khuyến nghị áp dụng rộng rãi công nghệ này tại các vùng đất yếu Đồng bằng sông Cửu Long trong 3-5 năm tới, đồng thời tiếp tục nghiên cứu mở rộng phạm vi và ứng dụng cho các loại công trình khác.

Hành động tiếp theo: Các chủ đầu tư, đơn vị thi công và cơ quan quản lý nên phối hợp triển khai áp dụng phương pháp cọc đất gia cố xi măng, đồng thời tổ chức đào tạo và giám sát chặt chẽ để đảm bảo chất lượng công trình bền vững.