Tổng quan nghiên cứu

Khu vực tỉnh An Giang thuộc vùng Đồng bằng sông Cửu Long có đặc điểm địa hình với hơn 80% diện tích là vùng đồng bằng trũng thấp, nơi cấu tạo địa tầng phổ biến chứa lớp bùn sét yếu dày tới 20m, hệ số rỗng lớn hơn 1.0 và sức chịu tải tự nhiên chỉ đạt từ 0.5 đến 1.0 kg/cm2. Gần 20% diện tích còn lại là vùng đồi núi Thất Sơn với điều kiện địa chất cát pha sét, mực nước ngầm hạ sâu và thay đổi lớn theo mùa. Thực tế xây dựng tại địa phương cho thấy các giải pháp truyền thống bộc lộ nhiều hạn chế: cừ tràm dễ bị mục nát khi gặp môi trường đất khô hoặc mực nước ngầm dao động, trong khi cọc bê tông cốt thép tiết diện nhỏ lại đòi hỏi chi phí đầu tư cao và thiết bị thi công phức tạp.

Trong bối cảnh đó, nguồn đá granite tự nhiên tại địa phương từ các mỏ đá lớn như mỏ Bà Đội đạt trữ lượng khai thác hàng năm trên 28 triệu m3 với cường độ chịu nén vượt trội từ 1200 đến 1500 kg/cm2. Tuy nhiên, việc sử dụng cừ đá trước đây hoàn toàn mang tính tự phát và dựa trên kinh nghiệm thi công thủ công. Luận văn thạc sĩ chuyên ngành Kỹ thuật Xây dựng do học viên Lê Ngọc Tấn thực hiện dưới sự hướng dẫn của thầy Trần Vũ Tự tại Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh (năm 2019) đã giải quyết trọn vẹn khoảng trống khoa học này. Mục tiêu nghiên cứu tập trung đánh giá hiệu quả cơ lý của cừ đá thông qua thực nghiệm hiện trường và xây dựng mô hình hồi quy dự báo xu hướng lựa chọn cừ đá cho các công trình nhà ở từ 4 tầng trở xuống. Kết quả nghiên cứu mang ý nghĩa thực tiễn to lớn khi chứng minh cừ đá giúp tăng sức chịu tải nền đất lên 200% và giảm hệ số rỗng tới 30.8%, tạo tiền đề tối ưu hóa ngân sách xử lý nền móng cho các công trình dân dụng tại khu vực Tây Nam Bộ.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu được xây dựng dựa trên nền tảng lý thuyết địa kỹ thuật và cơ học đất cổ điển kết hợp với kinh tế lượng ứng dụng. Trọng tâm lý thuyết bao gồm phương pháp tính toán sức chịu tải giới hạn của nền móng theo Terzaghi ($q_{gh} = 0.5 \gamma b N_\gamma + q N_q + c N_c$), tiêu chuẩn thiết kế móng cọc TCVN 10304:2014 và phương pháp xác định mô đun biến dạng hiện trường theo TCVN 9354:2012. Cơ sở cơ học đá phân tích cấu trúc tinh thể thạch anh - felspat của đá granite nguyên khối, làm rõ tính chất ứng suất - biến dạng và khả năng chịu nén cao khi làm việc dưới dạng cọc nêm nén chặt đất.

Song song đó, nghiên cứu ứng dụng lý thuyết mô hình xác suất lựa chọn nhị phân Binary Logistic: $$\ln\left(\frac{P}{1-P}\right) = \beta_0 + \sum_{i=1}^{9} \beta_i X_i$$ Hàm Logit này cho phép xác định xác suất quyết định lựa chọn cừ đá ($Y=1$) so với các giải pháp truyền thống ($Y=0$) dựa trên 9 biến độc lập về kinh tế - kỹ thuật. Các khái niệm cốt lõi bao gồm: chỉ tiêu cơ lý đất yếu (dung trọng ướt dưới 1.7 T/m3, lực dính nhỏ hơn 0.1 kg/cm2), cơ chế gia cố nén chặt nền đất hạt dính và hệ số chênh lệch xác suất Odds Ratio.

Phương pháp nghiên cứu

Quy trình thực nghiệm được triển khai đồng bộ giữa hiện trường và phòng thí nghiệm. Tác giả lựa chọn khu đất ruộng yếu tại huyện Tịnh Biên, tỉnh An Giang để tiến hành thi công thực tế 3 hố móng thử nghiệm: hố HM1 là đất tự nhiên không gia cố, hố HM2 gia cố bằng cừ tràm (đường kính ngọn 45mm, chiều dài 4m, mật độ 25 cây/m2) và hố HM3 gia cố bằng cừ đá granite (tiết diện 12x12cm, chiều dài 1.2m, mật độ 9 cây/m2). Sau khi thi công, 9 mẫu đất nguyên dạng từ 3 hố móng được đưa về phòng kiểm định LAS-XD 1225 để phân tích các chỉ tiêu cơ lý. Đồng thời, các đài móng bê tông kích thước 1x1m, chiều cao 0.3m, mác 200 được đúc trực tiếp trên đầu cừ và bảo dưỡng đủ 24 ngày trước khi thí nghiệm nén tĩnh bàn nén phẳng.

Đối với phân tích hành vi lựa chọn vật liệu, nghiên cứu xác định cỡ mẫu tối thiểu theo công thức của Tabachnick và Fidell (1996): $$n = 50 + 8 \times m = 50 + 8 \times 9 = 122 \text{ mẫu}$$ Thực tế, tác giả đã phát phiếu khảo sát và phỏng vấn trực tiếp 150 đối tượng gồm kỹ sư, chỉ huy trưởng và chủ đầu tư tại An Giang, thu về 130 mẫu hợp lệ. Dữ liệu được xử lý trên phần mềm SPSS phiên bản 22.0 với các kiểm định mức độ phù hợp -2 Log Likelihood, Omnibus Tests và thống kê Wald Chi-Square.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Quá trình phân tích thực nghiệm và mô hình hóa kinh tế lượng đã mang lại 4 phát hiện quan trọng:

  • Cải thiện vượt bậc các chỉ tiêu cơ lý của đất nền: Ở cấp áp lực nén 4.0 kg/cm2, hệ số rỗng của nền đất gia cố cừ tràm giảm 15.4%, trong khi nền đất gia cố cừ đá giảm mạnh tới 30.8% so với đất tự nhiên không xử lý. Góc ma sát trong của đất sau khi ép cừ đá tăng từ 11 độ 32 phút lên 15 độ 51 phút.
  • Gia tăng đột biến sức chịu tải cho phép: Thí nghiệm nén tĩnh hiện trường xác nhận sức chịu tải cho phép của móng gia cố cừ tràm tăng 166.7% và móng gia cố cừ đá tăng tới 200.0% so với nền đất nguyên trạng. Sức chịu tải của đất sau gia cố cừ đá đạt ngưỡng 1.0 đến 2.0 kg/cm2.
  • Kiểm soát độ lún công trình tối ưu: Dưới cấp tải trọng tiêu chuẩn 6.0 tấn, độ lún của nền đất tự nhiên là 8.24 mm, nền cừ tràm lún 3.56 mm, trong khi nền cừ đá chỉ lún 2.53 mm (giảm 69.3% độ lún so với đất tự nhiên). Khi gia tải đến tải trọng giới hạn 15.0 tấn, nền móng cừ đá vẫn duy trì độ lún ổn định ở mức 10.10 mm.
  • Xác lập mô hình dự báo lựa chọn cừ đá: Phân tích hồi quy Binary Logistic khẳng định các yếu tố như trữ lượng cung ứng tại địa phương, đơn giá cừ tính trên mét dài và tuổi thọ công trình có mối tương quan thuận mang ý nghĩa thống kê cao đối với quyết định sử dụng cừ đá của các nhà thầu.

Thảo luận kết quả

Khi cừ đá granite tiết diện 12x12cm được ép sâu vào nền bùn sét, các thanh cừ đóng vai trò như những cọc nêm cưỡng bức, ép chặt các hạt đất xung quanh, đẩy nước lỗ rỗng thoát ra ngoài và làm giảm thể tích lỗ rỗng của khối đất. Khác với cừ tràm chỉ có thể phát huy hiệu quả khi ngập hoàn toàn trong nước, thân cừ đá có độ bền vĩnh cửu, không bị oxy hóa hay phân hủy sinh học trong điều kiện mực nước ngầm dao động.

Về mặt trực quan khoa học, các kết quả này được thể hiện rõ nét thông qua biểu đồ quan hệ tải trọng - độ lún (đường cong P-S), biểu đồ so sánh chỉ tiêu cơ lý trước và sau gia cố, cùng đồ thị phân phối xác suất hàm Logit. Khi đối chiếu với công trình thực nghiệm của nhóm nghiên cứu tiền bối năm 1997 tại Đồng bằng sông Cửu Long, nghiên cứu của tác giả Lê Ngọc Tấn đã bổ sung đầy đủ hệ số định lượng chuẩn hóa, chứng minh cừ đá vượt trội hoàn toàn về khả năng chịu lực và tuổi thọ vận hành.

Đề xuất và khuyến nghị

Nhằm chuẩn hóa và nhân rộng giải pháp gia cố nền móng bằng cừ đá, nghiên cứu đưa ra 4 nhóm giải pháp trọng tâm:

  • Ban hành tiêu chuẩn kỹ thuật thiết kế và thi công cừ đá: Sở Xây dựng tỉnh An Giang cùng các hội nghề nghiệp cần biên soạn bộ quy chuẩn kỹ thuật địa phương, quy định rõ quy cách cừ đá chuẩn (tiết diện 10x10cm đến 15x15cm, chiều dài 1.2m đến 3.0m) và mật độ ép chuẩn từ 5 đến 16 cây/m2 cho công trình dân dụng dưới 4 tầng trong vòng 12 tháng tới.
  • Cơ giới hóa dây chuyền gia công và ổn định giá cừ: Các doanh nghiệp khai thác khoáng sản tại mỏ đá Bà Đội cần đầu tư thiết bị cưa cắt định hình thay thế đục chẻ thủ công, nâng công suất cung ứng thêm 25% và duy trì mức giá ổn định từ 20,000 đến 50,000 VNĐ/mét dài trong giai đoạn 24 tháng.
  • Áp dụng thay thế triệt để cừ tràm tại các vùng gò đồi và khu dân cư tôn nền: Các ban quản lý dự án và chủ đầu tư tại các huyện Tịnh Biên, Tri Tôn, Thoại Sơn cần ưu tiên chỉ định cừ đá cho các dự án nhà ở, trường học, trạm y tế nhằm tiết kiệm 15% đến 20% tổng chi phí xử lý nền móng so với cọc bê tông cốt thép trong 18 tháng.
  • Ứng dụng phần mềm tính toán và dự báo kinh tế kỹ thuật: Các đơn vị tư vấn thiết kế cần tích hợp mô hình hồi quy 9 biến vào quy trình khảo sát địa kỹ thuật, thực hiện đánh giá tự động trên bộ dữ liệu 130 hồ sơ công trình nhằm tối ưu hóa cự ly vận chuyển dưới 30km và kiểm soát chi phí thi công.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

Nội dung luận văn mang lại giá trị thực tiễn và học thuật cho 4 nhóm đối tượng chính:

  • Kỹ sư thiết kế kết cấu và địa kỹ thuật: Cung cấp thông số cơ lý chuẩn xác về sức chịu tải (1.0 - 2.0 kg/cm2) và công thức tính toán móng cừ đá cho các công trình nhà ở thấp tầng trên nền đất yếu.
  • Nhà thầu thi công và đơn vị xây lắp tại Đồng bằng sông Cửu Long: Hướng dẫn chi tiết quy trình thi công ép cừ đá 12x12cm với mật độ 9 cây/m2, giúp giảm 69.3% độ lún và đẩy nhanh tiến độ công trường.
  • Chủ đầu tư và cơ quan quản lý dự án công: Cung cấp cơ sở khoa học để phê duyệt dự toán, lựa chọn vật liệu địa phương bền vững, giúp tiết kiệm ngân sách xây dựng từ 15% đến 20% cho các công trình công cộng.
  • Giảng viên, nhà nghiên cứu và học viên cao học ngành Kỹ thuật Xây dựng: Làm tài liệu tham khảo mẫu mực về phương pháp thử tải tĩnh bàn nén TCVN 9354:2012 kết hợp ứng dụng mô hình Binary Logistic trên SPSS với 130 mẫu khảo sát.

Câu hỏi thường gặp

Cừ đá có ưu điểm kỹ thuật nào vượt trội hơn so với cừ tràm truyền thống?

Cừ đá granite không bị mục nát sinh học khi gặp tầng đất khô hoặc mực nước ngầm thay đổi theo mùa. Về mặt chịu lực, cừ đá giúp tăng sức chịu tải cho phép của nền móng lên 200% (so với 166.7% của cừ tràm) và giảm hệ số rỗng đất tới 30.8% ở cấp áp lực nén 4.0 kg/cm2.

Cừ đá phù hợp nhất với những loại hình công trình và địa chất nào?

Giải pháp này tối ưu cho các công trình dân dụng từ cấp III trở xuống, nhà ở từ 4 tầng trở xuống, nhà lồng chợ, trường mẫu giáo xây dựng trên nền đất sét pha, cát pha hoặc bùn sét yếu tại các khu vực có mực nước ngầm sâu như Tịnh Biên, Tri Tôn, Thoại Sơn.

Quy cách hình học và mật độ thi công cừ đá tiêu chuẩn là bao nhiêu?

Cừ đá trên thị trường có tiết diện vuông 10x10cm, 12x12cm, 15x15cm với chiều dài từ 1.2m đến 3.0m. Thực nghiệm khoa học chứng minh việc sử dụng cừ đá 12x12cm dài 1.2m với mật độ ép 9 cây/m2 mang lại hiệu quả nén chặt và nâng cao khả năng chịu lực tối ưu.

Phương pháp nào được sử dụng để kiểm định sức chịu tải cừ đá tại hiện trường?

Nghiên cứu áp dụng phương pháp nén tĩnh tại hiện trường bằng tấm nén phẳng 1x1m theo tiêu chuẩn TCVN 9354:2012. Thí nghiệm thực hiện trên khối móng bê tông mác 200 sau 24 ngày tuổi, theo dõi độ lún tương ứng qua các cấp tải trọng từ 0 đến 15.0 tấn.

Mô hình Binary Logistic trong luận văn giải quyết bài toán thực tế nào?

Mô hình định lượng hóa xác suất lựa chọn cừ đá của người dân và nhà thầu dựa trên 9 biến độc lập (trữ lượng, giá cả, cự ly vận chuyển, tuổi thọ, kỹ thuật thi công) từ 130 mẫu khảo sát, hỗ trợ dự báo và định hướng quy hoạch thị trường vật liệu xây dựng.

Kết luận

  • Luận văn đã chứng minh tính hiệu quả vượt trội của cừ đá granite khi nâng sức chịu tải của nền đất yếu lên 200% và giảm hệ số rỗng tới 30.8%.
  • Khẳng định cừ đá là giải pháp thay thế hoàn hảo cho cừ tràm tại các khu vực có địa hình đồi núi hoặc mực nước ngầm hạ sâu tại An Giang.
  • Xây dựng thành công mô hình Binary Logistic với 9 biến độc lập, giải thích rõ ràng các yếu tố tác động đến xác suất lựa chọn vật liệu móng từ 130 mẫu điều tra thực tế.
  • Thiết lập quy trình thi công ép cừ đá 12x12cm mật độ 9 cây/m2, kiểm soát độ lún công trình chỉ còn 2.53 mm dưới tải trọng 6.0 tấn.
  • Mở ra hướng khai thác hiệu quả nguồn tài nguyên đá tự nhiên trên 28 triệu m3 tại địa phương, tiết kiệm 15% đến 20% chi phí xây dựng nền móng.

Lộ trình triển khai trong 12 đến 24 tháng tới cần tập trung hoàn thiện quy chuẩn thiết kế cấp tỉnh và chuyển giao công nghệ cho các doanh nghiệp xây dựng. Các đơn vị tư vấn và nhà thầu tại khu vực Đồng bằng sông Cửu Long hãy chủ động ứng dụng giải pháp cừ đá địa phương để kiến tạo những công trình bền vững và tối ưu kinh tế.