Tổng quan nghiên cứu

Xử lý nền đất yếu là một trong những thách thức lớn trong ngành xây dựng, đặc biệt tại các vùng đồng bằng sông Cửu Long như thành phố Tân An, tỉnh Long An, nơi có địa chất yếu và dễ bị lún sụt. Theo ước tính, việc xử lý nền đất yếu nhằm tăng sức chịu tải, giảm độ lún và cải thiện tính chất cơ lý của đất như giảm hệ số rỗng, tăng độ chặt và cường độ chống cắt là rất cần thiết để đảm bảo ổn định công trình. Trong bối cảnh đó, phương pháp bơm hút chân không (BHCK) kết hợp sử dụng bấc thấm được xem là giải pháp hiện đại, có khả năng đẩy nhanh quá trình cố kết đất chỉ trong thời gian ngắn, từ vài tháng thay vì 6 tháng đến 2 năm như các phương pháp truyền thống.

Mục tiêu nghiên cứu là tìm hiểu nguyên lý, trình tự và phạm vi ứng dụng của công nghệ cố kết hút chân không, đồng thời xác định các thông số kỹ thuật như mật độ bấc thấm, áp lực bơm hút, thời gian cố kết phù hợp với loại đất tại Long An. Phạm vi nghiên cứu tập trung vào xử lý nền đất yếu tại đường cao tốc Long Thành – Dầu Giây và các công trình xây dựng tại thành phố Tân An trong giai đoạn từ năm 2010 đến 2014. Nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc cung cấp cơ sở khoa học và kỹ thuật để áp dụng hiệu quả phương pháp BHCK kết hợp bấc thấm, góp phần nâng cao chất lượng và rút ngắn thời gian thi công các công trình xây dựng trên nền đất yếu.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên các lý thuyết cơ bản về quá trình cố kết đất, trong đó phân biệt rõ hai giai đoạn cố kết sơ cấp và cố kết thứ cấp. Quá trình cố kết sơ cấp là sự thoát nước từ các lỗ rỗng trong đất, làm giảm hệ số rỗng và tăng mật độ đất, còn cố kết thứ cấp là sự tái sắp xếp các phân tử đất sau khi nước đã thoát hết. Phương pháp gia tải trước bằng hút chân không (CKHCK) được áp dụng nhằm tạo ra áp lực âm trong đất, thúc đẩy quá trình thoát nước và tăng ứng suất hiệu quả, từ đó đẩy nhanh quá trình cố kết.

Ngoài ra, nghiên cứu sử dụng mô hình phần tử hữu hạn để mô phỏng quá trình cố kết chân không, kết hợp với các phương pháp lý thuyết như phương pháp cố kết lún nén tương đương và phương pháp cố kết thấm có cọc thấm Barron-Terzaghi. Các khái niệm chính bao gồm: áp lực nước lỗ rỗng, độ cố kết theo phương đứng và phương ngang, khoảng cách và chiều dài bấc thấm, cũng như các thông số kỹ thuật như áp suất chân không, hệ số thấm khí, và lưu lượng bơm hút.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu được thu thập từ khảo sát địa chất thực tế tại các công trình đường cao tốc Long Thành – Dầu Giây và thành phố Tân An, kết hợp với số liệu thí nghiệm trong phòng thí nghiệm để xác định các thông số kỹ thuật của đất và bấc thấm. Cỡ mẫu khảo sát bao gồm nhiều điểm lấy mẫu đất với chiều sâu từ 10 đến 50 mét, đảm bảo đại diện cho điều kiện địa chất khu vực.

Phương pháp phân tích chính là mô phỏng bằng phần mềm Plaxis 8.2 và GEO-SLOPE/W, sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn để tính toán áp lực nước lỗ rỗng, độ lún và hệ số ổn định nền đất trước và sau xử lý. Timeline nghiên cứu kéo dài khoảng 12 tháng, bao gồm giai đoạn thu thập số liệu, phân tích mô hình, thí nghiệm và kiểm chứng kết quả thực tế tại công trình. Việc so sánh kết quả mô phỏng với số liệu quan trắc thực tế giúp đánh giá độ chính xác và hiệu quả của phương pháp BHCK kết hợp bấc thấm.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Tăng tốc độ cố kết đất nền: Ứng dụng BHCK kết hợp bấc thấm đã rút ngắn thời gian cố kết đất từ 6-24 tháng xuống còn khoảng 5 tháng, đạt tới 90% độ cố kết cuối cùng. Số liệu tại nhà máy khí điện đạm Cà Mau cho thấy thời gian cố kết giảm 60-70% so với phương pháp truyền thống.

  2. Giảm độ lún nền đất: Kết quả tính toán và quan trắc thực tế cho thấy độ lún nền đất sau xử lý giảm trung bình 25-30% so với nền chưa xử lý, với hệ số an toàn nền đất tăng từ 1,35 lên 1,445, đảm bảo ổn định công trình.

  3. Ảnh hưởng của khoảng cách và chiều dài bấc thấm: Khi khoảng cách cắm bấc thấm giảm từ 2m xuống 1m, độ cố kết tăng lên khoảng 15%, đồng thời chiều dài bấc thấm tăng từ 15m lên 20m cũng làm tăng độ cố kết trung bình thêm 10%. Điều này được minh họa qua các biểu đồ độ lún và áp lực nước lỗ rỗng dư trong phần mềm Plaxis.

  4. Hiệu quả thi công và chi phí: Phương pháp BHCK không có màng kín khí đơn giản hơn về mặt thi công nhưng yêu cầu lớp gia tải kín khí dày hơn, làm tăng chi phí vật liệu. Ngược lại, phương pháp MVC có màng kín khí giảm được khối lượng gia tải nhưng đòi hỏi kỹ thuật hàn nối màng và kiểm soát kín khí nghiêm ngặt.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính của việc tăng tốc độ cố kết là do áp lực chân không tạo ra gradient thủy lực lớn, thúc đẩy nước trong lỗ rỗng thoát nhanh qua bấc thấm. So với các nghiên cứu trước đây, kết quả này phù hợp với các công trình tại Thượng Hải và Nhật Bản, nơi phương pháp BHCK đã được áp dụng thành công từ những năm 1960. Việc giảm khoảng cách và tăng chiều dài bấc thấm làm tăng diện tích thoát nước, từ đó nâng cao hiệu quả cố kết.

Tuy nhiên, hiệu quả của phương pháp còn phụ thuộc vào khả năng làm kín khí và điều kiện địa chất cụ thể, đặc biệt là đối với các tầng cát xen kẹp có hệ số thấm cao, nơi áp lực chân không khó duy trì. So sánh với các phương pháp truyền thống như đệm cát hay cọc đất trộn xi măng, BHCK kết hợp bấc thấm có ưu điểm vượt trội về thời gian thi công và chất lượng nền đất sau xử lý.

Dữ liệu có thể được trình bày qua các biểu đồ thể hiện mối quan hệ giữa áp lực chân không, thời gian cố kết và độ lún nền đất, cũng như bảng so sánh hệ số ổn định và chi phí thi công giữa các phương pháp.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Tăng cường kiểm soát kín khí trong thi công: Để đảm bảo hiệu quả BHCK, cần áp dụng các biện pháp kỹ thuật như sử dụng màng địa kỹ thuật chất lượng cao, kiểm tra và sửa chữa kịp thời các vị trí rách thủng, đồng thời đào rãnh và sử dụng dung dịch bentonite để làm kín mép biên. Chủ thể thực hiện là nhà thầu thi công, trong vòng 1-2 tháng đầu triển khai dự án.

  2. Tối ưu hóa khoảng cách và chiều dài bấc thấm: Khuyến nghị thiết kế khoảng cách bấc thấm không vượt quá 1m và chiều dài bấc thấm từ 20m trở lên để tăng hiệu quả thoát nước và cố kết. Chủ thể thực hiện là đơn vị thiết kế kỹ thuật, áp dụng trong giai đoạn thiết kế dự án.

  3. Kết hợp gia tải tạm thời hợp lý: Sử dụng gia tải tạm thời với chiều dày phù hợp (2-3m) để hỗ trợ quá trình cố kết, đồng thời sử dụng bệ phản áp để tăng độ ổn định nền trong quá trình thi công. Chủ thể thực hiện là nhà thầu thi công, theo kế hoạch thi công trong vòng 3-6 tháng.

  4. Áp dụng phần mềm mô phỏng hiện đại: Sử dụng phần mềm Plaxis 8.2 và GEO-SLOPE/W để mô phỏng và dự báo độ lún, áp lực nước lỗ rỗng, giúp điều chỉnh thiết kế và thi công kịp thời. Chủ thể thực hiện là nhóm kỹ thuật thiết kế và giám sát, áp dụng xuyên suốt quá trình chuẩn bị và thi công.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Kỹ sư địa kỹ thuật và thiết kế công trình: Nghiên cứu cung cấp cơ sở lý thuyết và thực tiễn về phương pháp BHCK kết hợp bấc thấm, giúp tối ưu thiết kế xử lý nền đất yếu, giảm thiểu rủi ro lún sụt.

  2. Nhà thầu thi công xây dựng: Tham khảo quy trình thi công, các lưu ý kỹ thuật về làm kín khí, lắp đặt bấc thấm và vận hành hệ thống bơm hút chân không để nâng cao hiệu quả thi công và giảm chi phí.

  3. Chủ đầu tư và quản lý dự án: Hiểu rõ về ưu nhược điểm, chi phí và tiến độ thi công phương pháp BHCK, từ đó đưa ra quyết định đầu tư hợp lý cho các công trình xây dựng trên nền đất yếu.

  4. Nhà nghiên cứu và sinh viên ngành xây dựng: Tài liệu tham khảo phong phú về lý thuyết cố kết, mô hình phần tử hữu hạn và ứng dụng thực tế, hỗ trợ nghiên cứu và phát triển các giải pháp xử lý nền đất yếu mới.

Câu hỏi thường gặp

  1. Phương pháp BHCK kết hợp bấc thấm có ưu điểm gì so với phương pháp truyền thống?
    Phương pháp này rút ngắn thời gian cố kết từ 6-24 tháng xuống còn khoảng 5 tháng, giảm độ lún nền đất 25-30%, đồng thời giảm chi phí vật liệu gia tải và diện tích chiếm dụng. Ví dụ tại nhà máy khí điện đạm Cà Mau, thời gian cố kết giảm đáng kể so với đệm cát truyền thống.

  2. Có giới hạn về độ sâu xử lý bằng phương pháp BHCK không?
    Phương pháp hiệu quả nhất với độ sâu xử lý từ 10 đến 50 mét. Đối với nền đất có tầng cát xen kẹp hoặc hệ số thấm cao, hiệu quả giảm do khó duy trì áp lực chân không. Cần kết hợp các biện pháp gia tải bổ sung trong trường hợp này.

  3. Làm thế nào để đảm bảo hệ thống kín khí trong thi công BHCK?
    Sử dụng màng địa kỹ thuật chất lượng cao, kiểm tra kỹ các mối nối, sử dụng dung dịch bentonite để làm kín mép biên, đồng thời lấp rãnh và ngập nước để tăng độ kín. Việc này giúp duy trì áp lực chân không ổn định trong suốt quá trình thi công.

  4. Khoảng cách và chiều dài bấc thấm ảnh hưởng thế nào đến hiệu quả cố kết?
    Giảm khoảng cách bấc thấm xuống 1m và tăng chiều dài bấc thấm lên 20m giúp tăng diện tích thoát nước, nâng cao độ cố kết trung bình khoảng 10-15%. Thiết kế này được khuyến nghị áp dụng để tối ưu hiệu quả xử lý nền.

  5. Phần mềm nào được sử dụng để mô phỏng quá trình cố kết chân không?
    Phần mềm Plaxis 8.2 và GEO-SLOPE/W được sử dụng phổ biến để mô phỏng áp lực nước lỗ rỗng, độ lún và hệ số ổn định nền đất. Các phần mềm này giúp dự báo chính xác và điều chỉnh thiết kế phù hợp với điều kiện thực tế.

Kết luận

  • Phương pháp bơm hút chân không kết hợp bấc thấm là giải pháp hiệu quả, rút ngắn thời gian cố kết đất yếu từ 6-24 tháng xuống còn khoảng 5 tháng.
  • Việc tối ưu khoảng cách và chiều dài bấc thấm đóng vai trò quan trọng trong nâng cao hiệu quả cố kết và giảm độ lún nền đất.
  • Ứng dụng phần mềm mô phỏng phần tử hữu hạn giúp dự báo chính xác và kiểm soát chất lượng thi công.
  • Cần chú trọng kỹ thuật làm kín khí và kiểm soát áp lực chân không để đảm bảo hiệu quả thi công.
  • Đề xuất áp dụng rộng rãi phương pháp này cho các công trình xây dựng tại vùng địa chất yếu như Long An, đồng thời tiếp tục nghiên cứu mở rộng ứng dụng cho các điều kiện địa chất phức tạp hơn.

Tiếp theo, các bước nghiên cứu sẽ tập trung vào hoàn thiện quy trình thi công, đánh giá chi phí thực tế và mở rộng ứng dụng cho các công trình giao thông, công nghiệp tại các vùng đất yếu khác. Quý độc giả và chuyên gia được mời tham khảo và áp dụng kết quả nghiên cứu nhằm nâng cao hiệu quả xử lý nền đất yếu trong thực tiễn xây dựng.