Tổng quan nghiên cứu

Khu vực huyện Cần Giờ, Thành phố Hồ Chí Minh có hơn 56.7% diện tích tự nhiên là đất ngập mặn với hệ thống sông rạch chằng chịt chiếm khoảng 22.850 ha (tương đương 32% diện tích toàn huyện). Dưới tác động mạnh mẽ của hiện tượng biến đổi khí hậu toàn cầu và nước biển dâng, quá trình xâm nhập mặn diễn ra ngày càng sâu rộng và phức tạp vào các tầng đất trầm tích. Tầng địa chất mặt tại đây chủ yếu là lớp bùn sét hữu cơ yếu dày tới 19m với trạng thái chảy, có độ nhạy cảm hóa lý rất cao khi tiếp xúc với môi trường nước mặn. Sự thay đổi nồng độ muối hòa tan trong các lỗ rỗng của đất làm biến đổi sâu sắc liên kết cấu trúc khoáng vật, từ đó làm suy giảm nghiêm trọng các chỉ tiêu cơ lý và sức chịu tải của nền móng công trình xây dựng.

Mục tiêu cốt lõi của nghiên cứu là xác định quy luật phân bố độ mặn theo chiều sâu địa chất và định lượng mức độ ảnh hưởng của sự thay đổi nồng độ muối (bao gồm cả quá trình tăng mặn và rửa mặn) đến các đặc tính cơ lý của đất dính. Trên cơ sở đó, luận văn thiết lập bài toán ứng dụng để tính toán chính xác sự biến thiên sức chịu tải của hệ móng cọc bê tông cốt thép trong điều kiện đất bị mặn hóa tại thị trấn Cần Thạnh, huyện Cần Giờ.

Nghiên cứu mang ý nghĩa khoa học và thực tiễn sâu sắc đối với ngành địa kỹ thuật công trình ven biển. Kết quả phân tích chỉ ra rằng khi đất nền bị xâm nhập mặn, sức chịu tải cực hạn của cọc có thể suy giảm tới 21% và độ lún của khối móng biến đổi khoảng 12.5%. Việc làm rõ các thông số này cung cấp luận cứ kỹ thuật quan trọng giúp các kỹ sư hiệu chỉnh hệ số an toàn trong thiết kế, ngăn ngừa các sự cố lún nứt, trượt lở và nâng cao tuổi thọ công trình xây dựng vùng duyên hải.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu được xây dựng trên nền tảng lý thuyết cấu trúc khoáng vật sét và thuyết lớp điện kép (Diffuse Double Layer). Về mặt khoáng vật học, đất sét tại vùng trầm tích ngập mặn Cần Giờ chứa các nhóm khoáng chính gồm Kaolinite, Illite và đặc biệt là Montmorillonite. Khoáng vật Montmorillonite có cấu trúc tinh thể mạng 3 lớp (tỷ lệ phiến oxit silic và gibbsite là 2:1), sở hữu tỷ diện tích bề mặt rất lớn đạt khoảng 800 m²/g cùng khả năng hấp phụ nước lên tới 40%, vượt trội hơn hẳn so với Illite (80 m²/g) và Kaolinite (20 m²/g).

Lý thuyết trao đổi cation giải thích rằng bề mặt các phiến sét tích điện tích âm do hiện tượng thay thế đồng hình giữa các ion kim loại trong mạng tinh thể. Dung tích hấp phụ cation (CEC) của Montmorillonite đạt mức cao từ 80 đến 150 mEq/100g đất khô, tạo ra lớp điện tích bao quanh hạt sét. Khi nồng độ muối hòa tan (chủ yếu là các ion Na⁺, Cl⁻, Mg²⁺, Ca²⁺) trong nước lỗ rỗng thay đổi, chiều dày của lớp điện kép sẽ bị co lại hoặc giãn ra, làm biến đổi lực đẩy tĩnh điện và lực hút phân tử Van der Waals giữa các hạt sét. Điều này dẫn đến sự tái sắp xếp cấu trúc hạt từ trạng thái phân tán sang trạng thái keo tụ hoặc ngược lại, tác động trực tiếp đến tính dẻo, sức chống cắt và tính nén lún của đất dính.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu thực nghiệm được thu thập từ công tác khoan khảo sát địa chất công trình tại thị trấn Cần Thạnh với chiều sâu hố khoan khảo sát đạt 30m đến 35m. Cỡ mẫu nghiên cứu tập trung vào 2 tầng đất đại diện có nồng độ muối tương phản rõ rệt: mẫu ở độ sâu 16.0m (đặc trưng cho tầng bùn sét hữu cơ yếu có hàm lượng muối tự nhiên cao 4.34%) và mẫu ở độ sâu 27.5m (đặc trưng cho tầng sét dẻo cao có hàm lượng muối thấp hơn 1.35%). Phương pháp chọn mẫu nguyên dạng được thực hiện bằng ống mẫu chuyên dụng nhằm giữ nguyên vẹn cấu trúc và độ ẩm tự nhiên của đất.

Để khảo sát ảnh hưởng của độ mặn, phương pháp đo nồng độ muối hòa tan được tiến hành gián tiếp thông qua kỹ thuật chiết suất đất - nước theo tỷ lệ 1:5 về khối lượng kết hợp thiết bị đo độ dẫn điện. Các mẫu đất nguyên dạng sau đó được xử lý bằng thiết bị ngâm mặn áp lực thấp tự chế với 4 cấp độ mặn dung dịch gồm 0% (rửa mặn bằng nước cất), 2.5%, 5% và 7% (dung dịch nước biển tự nhiên và muối pha).

Các chỉ tiêu cơ lý được phân tích qua hệ thống thí nghiệm chuẩn hóa: thí nghiệm giới hạn Atterberg bằng đĩa đập Casagrande, thí nghiệm cắt nhanh không thoát nước theo tiêu chuẩn TCVN 4199-95 để xác định lực dính kết c và góc ma sát trong φ, thí nghiệm nén cố kết không nở hông theo tiêu chuẩn ASTM D2435 dưới các cấp áp lực từ 0.125 kG/cm² đến 4.0 kG/cm² để xác định chỉ số nén Cc và áp lực tiền cố kết Pc. Cuối cùng, phương pháp mô hình hóa phần tử hữu hạn trên phần mềm Plaxis 3D Foundation được lựa chọn để phân tích tương tác đất - cọc vì khả năng mô phỏng chân thực trường ứng suất và biến dạng phi tuyến trong không gian 3 chiều.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Thực nghiệm đã chỉ ra những biến đổi rõ rệt của các chỉ tiêu cơ lý khi hàm lượng muối trong đất bị xáo trộn:

  • Tính chất vật lý và giới hạn dẻo: Độ ẩm tự nhiên của đất sau khi ngâm mặn hoặc rửa mặn chỉ biến động nhẹ trong khoảng 0.5% đến 2.0%, tuy nhiên các giới hạn Atterberg lại thay đổi sâu sắc. Tại độ sâu 16.0m, giới hạn nhão của mẫu tự nhiên giảm từ 80.8% xuống 50.7% khi bị rửa mặn (giảm 37.2%) và giảm xuống 53.4% khi tăng mặn đến 7%. Chỉ số dẻo giảm mạnh từ 30.65 xuống mức 23.32 ở mẫu rửa mặn và 25.08 ở mẫu tăng mặn, khiến chỉ số nhão tăng cao và làm đất chuyển sang trạng thái kém ổn định hơn.
  • Sức chống cắt của đất nền: Cả hai quá trình tăng mặn và rửa mặn đều làm suy giảm đáng kể cường độ kháng cắt của đất dính. Khi hàm lượng muối trong đất tăng lên, lực dính kết c giảm từ 30% đến 33%, đồng thời góc ma sát trong φ giảm từ 15% đến 22% so với mẫu tự nhiên. Trong trường hợp đất bị rửa trôi muối, lực dính c suy giảm mạnh từ 31% đến 38% và góc ma sát trong φ giảm từ 9.5% đến 12%. Cụ thể tại mẫu 16.0m, lực dính c giảm từ 0.037 kG/cm² xuống 0.025 kG/cm² khi tăng mặn 7%, và giảm xuống 0.023 kG/cm² khi rửa mặn hoàn toàn.
  • Đặc trưng biến dạng nén lún: Có sự phân hóa rõ rệt giữa hai xu hướng. Đối với đất bị tăng mặn, tính nén lún giảm thể hiện qua việc chỉ số nén Cc của mẫu 16.0m giảm từ 1.269 xuống 0.957 (giảm 24.6%). Ngược lại, khi đất bị rửa mặn, tính nén lún lại tăng lên đáng kể với chỉ số nén Cc tăng từ 1.269 lên 1.339 (tăng 5.5%), kèm theo sự sụt giảm của áp lực tiền cố kết Pc từ 0.777 kG/cm² xuống 0.722 kG/cm².
  • Sức chịu tải và độ lún của móng cọc: Kết quả mô phỏng không gian 3 chiều trên Plaxis 3D Foundation cho thấy sức chịu tải cực hạn của cọc đơn đặt trong nền sét Cần Giờ bị giảm 21% khi đất nền chuyển từ trạng thái tự nhiên sang trạng thái bị xâm nhập mặn. Đồng thời, tổng độ lún của khối móng cọc giảm khoảng 12.5% do sự gia tăng độ cứng cục bộ của liên kết hạt dưới nồng độ ion cao.

Thảo luận kết quả

Cơ chế của hiện tượng suy giảm cường độ kháng cắt khi nồng độ muối tăng được giải thích bởi sự thay đổi mật độ điện tích quanh hạt sét Montmorillonite. Khi nồng độ ion Na⁺ trong dung dịch lỗ rỗng tăng cao, lớp màng nước hấp phụ và lớp điện kép bị nén chặt, làm suy giảm các liên kết dính bám cấu trúc nguyên thủy giữa các hạt khoáng, dẫn đến lực dính c bị sụt giảm mạnh. Đối với trường hợp rửa mặn, việc các ion muối bị rửa trôi làm tăng thế điện động và chiều dày lớp điện kép, làm tan rã các cầu nối ion liên kết hạt, biến đất thành trạng thái sét nhạy lún và dễ trượt cắt dưới tải trọng ngoài.

Các dữ liệu thực nghiệm được trực quan hóa rõ nét qua đồ thị đường cong nén lún dạng logarit (biểu đồ e - log p), phản ánh rõ độ dốc của nhánh nén nguyên sinh biến thiên theo từng cấp độ mặn 0%, 2.5%, 5% và 7%. Đồng thời, các biểu đồ quan hệ ứng suất cắt và biến dạng theo tiêu chuẩn Casagrande minh chứng sự dịch chuyển của tọa độ đất từ vùng sét dẻo cao xuống vùng sét dẻo thấp. Kết quả này hoàn toàn tương thích với các công bố khoa học quốc tế của các chuyên gia địa kỹ thuật tại Kuwait và Hàn Quốc khi nghiên cứu về đất sét biển Busan, khẳng định tính quy luật của sự suy giảm liên kết dính khi nồng độ muối hòa tan bị thay đổi.

Đề xuất và khuyến nghị

Dựa trên các phát hiện thực nghiệm, luận văn đề xuất 4 nhóm giải pháp kỹ thuật cụ thể nhằm đảm bảo an toàn kết cấu cho các công trình ven biển:

  • Khảo sát và trắc quan trắc độ mặn định kỳ: Các đơn vị tư vấn khảo sát địa kỹ thuật cần bổ sung hạng mục đo độ dẫn điện và chiết suất đất - nước tỷ lệ 1:5 trong quy trình khảo sát địa chất ở độ sâu từ 0m đến 35m. Mục tiêu là lập bản đồ phân bố nồng độ muối chi tiết cho từng tầng đất trước khi lập dự án đầu tư trong thời gian từ 3 đến 6 tháng trước giai đoạn thiết kế cơ sở.
  • Hiệu chỉnh hệ số an toàn trong tính toán sức chịu tải cọc: Kỹ sư thiết kế nền móng cần chủ động tăng hệ số an toàn thiết kế sức chịu tải của cọc (hệ số an toàn thành phần ma sát bên và sức kháng mũi) từ mức 1.5 - 2.0 truyền thống lên mức 2.2 - 2.5 đối với các tầng sét ngập mặn. Biện pháp này nhằm bù đắp trực tiếp cho mức độ suy giảm sức kháng cắt lên tới 21% - 33% khi môi trường nước ngầm biến động mặn theo mùa.
  • Áp dụng mô phỏng phần tử hữu hạn 3D trong thiết kế móng cọc: Các đơn vị tư vấn thiết kế và thẩm tra cần bắt buộc sử dụng các phần mềm mô phỏng không gian như Plaxis 3D Foundation để đánh giá bài toán biến dạng phi tuyến của hệ đài cọc. Mục tiêu kiểm soát độ lún lệch tuyệt đối dưới 15mm và tỷ số lún lệch không vượt quá 0.002 đối với các công trình có tải trọng lớn tại khu vực nền đất yếu Cần Giờ.
  • Thi công bảo vệ vật liệu cọc chống xâm thực và xói mòn muối: Ban quản lý dự án và nhà thầu thi công cần chỉ định sử dụng bê tông bền sunfat cấp độ bền từ B30 đến B40, có phụ gia chống thấm để ngăn chặn hiện tượng ăn mòn cốt thép và xói rửa hóa học trong môi trường đất có độ mặn từ 2.5% đến 7.0%, duy trì độ bền vững của công trình trong suốt chu kỳ khai thác trên 50 năm.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

Công trình nghiên cứu mang lại giá trị thực tế cao cho 4 nhóm đối tượng chuyên môn chính:

  • Kỹ sư thiết kế kết cấu và địa kỹ thuật: Nắm bắt chính xác phương pháp tính toán ma sát bên đơn vị và sức kháng mũi của cọc ép, cọc khoan nhồi khi đi qua các tầng bùn sét bị biến đổi độ mặn, từ đó tối ưu hóa chiều dài và số lượng cọc trong móng.
  • Các nhà thầu thi công xây dựng công trình hạ tầng duyên hải: Sử dụng dữ liệu về tính nén lún và sự suy giảm lực dính kết của đất để thiết kế hệ vách cừ tầng hầm, hố móng sâu, cũng như lựa chọn áp lực ép cọc thử phù hợp, tránh hiện tượng chối giả hoặc lún sụt cục bộ.
  • Giảng viên, học viên cao học và sinh viên ngành Xây dựng - Địa kỹ thuật: Tiếp cận tài liệu tham khảo chuẩn mực về mô hình thiết bị ngâm mặn đất nguyên dạng, phương pháp thí nghiệm Atterberg và kỹ năng mô hình hóa tương tác nền móng bằng Plaxis 3D.
  • Cơ quan quản lý quy hoạch và phát triển đô thị vùng ven biển: Ứng dụng kết quả nghiên cứu vào việc thẩm định các đồ án xây dựng hạ tầng kỹ thuật, đường giao thông, cầu cảng thích ứng với kịch bản nước biển dâng và xâm nhập mặn tại Thành phố Hồ Chí Minh.

Câu hỏi thường gặp

Tại sao độ mặn tăng lại làm suy giảm sức kháng cắt của đất sét Cần Giờ? Khi nồng độ ion Na⁺ trong nước lỗ rỗng tăng lên, lớp điện kép quanh bề mặt khoáng sét Montmorillonite bị nén chặt lại. Điều này làm phá vỡ cấu trúc liên kết keo tụ tự nhiên, khiến lực dính kết c bị sụt giảm từ 30% đến 33% và góc ma sát trong φ giảm từ 15% đến 22%.

Hiện tượng rửa mặn ảnh hưởng như thế nào đến độ lún của công trình xây dựng? Quá trình rửa trôi muối làm tăng chỉ số nén Cc thêm 5.5% (từ 1.269 lên 1.339) và làm giảm áp lực tiền cố kết Pc khoảng 7.1%. Khi muối bị rửa trôi dưới tác động của dòng thấm nước ngọt, đất nền trở nên nhạy lún hơn, dẫn đến nguy cơ gia tăng độ lún cố kết dài hạn của công trình.

Phần mềm Plaxis 3D Foundation đánh giá sức chịu tải cọc trong đất mặn như thế nào? Plaxis 3D sử dụng mô hình vật liệu Mohr-Coulomb kết hợp việc gán các thông số c và φ đã suy giảm do độ mặn. Mô phỏng chỉ ra rằng sức chịu tải cực hạn của cọc đơn giảm khoảng 21% và tổng độ lún của đài móng biến thiên 12.5% so với nền đất tự nhiên.

Vì sao nghiên cứu lại chọn thí nghiệm mẫu đất tại độ sâu 16.0m và 27.5m? Độ sâu 16.0m đại diện cho tầng bùn sét hữu cơ có độ mặn tự nhiên cao nhất (4.34%) và độ dẻo cao ($I_P = 30.65$), trong khi độ sâu 27.5m đại diện cho tầng sét dẻo cứng có độ mặn thấp hơn (1.35%). Việc so sánh hai độ sâu này giúp làm sáng tỏ sự khác biệt trong phản ứng hóa lý giữa các tầng địa chất.

Khoáng vật sét Montmorillonite đóng vai trò gì trong sự biến đổi cơ lý của đất? Montmorillonite có tỷ diện tích bề mặt rất lớn đạt 800 m²/g và dung tích trao đổi cation CEC lên tới 150 mEq/100g. Cấu trúc mạng tinh thể 3 lớp linh hoạt khiến nó cực kỳ nhạy cảm với sự thay đổi của nồng độ muối, là nguyên nhân trực tiếp dẫn đến sự thay đổi các giới hạn dẻo và tính nén lún của đất.

Kết luận

  • Luận văn đã định lượng hóa chính xác sự phân bố độ mặn theo chiều sâu địa tầng trầm tích ngập mặn Cần Giờ, tập trung phân tích 2 tầng đất tiêu biểu ở độ sâu 16.0m và 27.5m.
  • Chứng minh cả hai quá trình tăng mặn và rửa mặn đều làm suy giảm nghiêm trọng cường độ kháng cắt của đất, với lực dính kết c giảm từ 30% đến 38% và góc ma sát trong φ giảm từ 9.5% đến 22%.
  • Xác lập quy luật tương phản về tính biến dạng: quá trình tăng mặn làm giảm chỉ số nén Cc khoảng 24.6%, trong khi quá trình rửa mặn làm tăng chỉ số nén Cc thêm 5.5% và thúc đẩy quá trình lún cố kết.
  • Ứng dụng thành công phần mềm Plaxis 3D Foundation để xác định mức suy giảm 21% sức chịu tải cực hạn của móng cọc trong môi trường đất bị xâm nhập mặn.
  • Đóng góp bộ cơ sở dữ liệu thực nghiệm quý giá, làm tiền đề khoa học để hiệu chỉnh các tiêu chuẩn thiết kế nền móng công trình ven biển thích ứng với biến đổi khí hậu trong giai đoạn 2025 - 2030.

Để đảm bảo an toàn tuyệt đối và tối ưu hóa chi phí đầu tư xây dựng, các đơn vị tư vấn và chủ đầu tư dự án tại vùng ven biển nên áp dụng ngay quy trình đánh giá biến thiên độ mặn vào công tác tính toán thiết kế móng cọc cho các công trình hiện hữu và tương lai.