Tổng quan nghiên cứu

Trong bối cảnh phát triển kinh tế xã hội ngày càng mạnh mẽ, nhu cầu xây dựng các công trình dân dụng và công nghiệp tại tỉnh An Giang tăng cao, kéo theo nhu cầu sử dụng vật liệu san lấp mặt bằng cũng gia tăng đáng kể. Theo Quyết định số 3750/QĐ-UBND ngày 30/12/2016 của UBND tỉnh An Giang, nhu cầu vật liệu san lấp trung bình mỗi năm đạt khoảng 7-8 triệu m³. Tuy nhiên, nguồn cát tự nhiên ngày càng khan hiếm do khai thác quá mức, gây ra nhiều hệ lụy như sạt lở bờ sông, ô nhiễm môi trường và ảnh hưởng đến đời sống người dân. Do đó, việc tìm kiếm vật liệu thay thế cát san lấp là cấp thiết nhằm giảm chi phí xây dựng và bảo vệ tài nguyên thiên nhiên.

Đất bùn sét khai thác từ lòng sông, kênh rạch tại An Giang có đặc tính nhão, độ nén lún cao và sức chống cắt thấp, dễ gây ra các sự cố nền móng như lún không đều và mất ổn định công trình. Nghiên cứu này tập trung khảo sát ảnh hưởng của bề dày đệm cát và vải địa kỹ thuật đến cường độ nền đất sét đầm chặt, ứng dụng trong công tác san lấp mặt bằng tại An Giang. Mục tiêu chính là xác định bề dày đệm cát tối ưu và vai trò của vải địa kỹ thuật trong việc gia tăng chỉ số cường độ California Bearing Ratio (CBR) của đất bùn sét, từ đó đề xuất giải pháp gia cường hiệu quả, tiết kiệm chi phí và thân thiện với môi trường.

Phạm vi nghiên cứu tập trung vào đất bùn sét khai thác từ lòng rạch Long Xuyên, tỉnh An Giang, với các mẫu thí nghiệm được đầm chặt theo độ ẩm tối ưu và dung trọng khô lớn nhất. Nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc phát triển vật liệu san lấp thay thế cát tự nhiên, góp phần giảm thiểu khai thác cát, bảo vệ môi trường và nâng cao hiệu quả kinh tế trong xây dựng công trình tại khu vực Đồng bằng sông Cửu Long.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu dựa trên lý thuyết về chỉ số cường độ CBR, một đại lượng quan trọng đánh giá khả năng chịu tải của đất nền và vật liệu san lấp. CBR được xác định theo tiêu chuẩn TCVN 8821:2011 và ASTM D4429, phản ánh sức chịu tải của mẫu đất so với vật liệu tiêu chuẩn.

Hai lý thuyết chính được áp dụng gồm:

  1. Lý thuyết gia cường đất bằng vải địa kỹ thuật: Vải địa kỹ thuật không dệt được sử dụng để ngăn cách lớp đất sét và đệm cát, đồng thời tạo biên thoát nước, giảm áp lực nước lỗ rỗng và huy động khả năng chịu kéo của vải, từ đó gia tăng cường độ đất nền.

  2. Lý thuyết tác động của đệm cát lên đất nền yếu: Đệm cát với các bề dày khác nhau (từ 2 cm đến 15 cm) và loại hạt cát (hạt nhỏ và hạt to) được nghiên cứu để xác định ảnh hưởng đến chỉ số CBR của đất bùn sét gia cường. Đệm cát giúp phân phối tải trọng và cải thiện khả năng chịu lực của nền đất.

Các khái niệm chính bao gồm: chỉ số CBR, độ ẩm tối ưu (OMC), dung trọng khô lớn nhất (MDD), góc ma sát trong của cát, và tính thấm của vải địa kỹ thuật.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu chính được thu thập từ các mẫu đất bùn sét khai thác tại lòng rạch Long Xuyên, tỉnh An Giang. Đất được phơi khô, đập nhỏ, ray qua sàng và dưỡng ẩm đến độ ẩm tối ưu 18,3% trước khi tiến hành thí nghiệm. Vải địa kỹ thuật không dệt và hai loại cát địa phương (cát hạt nhỏ và cát hạt to) được sử dụng làm vật liệu gia cường.

Phương pháp phân tích chính là thí nghiệm xác định chỉ số CBR hiện trường theo tiêu chuẩn TCVN 8821:2011 và ASTM D4429. Mẫu thí nghiệm có kích thước 90x90 cm, với bề dày tổng thể từ 22 đến 35 cm, gồm lớp đất bùn sét đầm chặt và lớp đệm cát gia cường kẹp giữa hai lớp vải địa kỹ thuật. Các biến số thí nghiệm gồm bề dày đệm cát (20, 40, 80, 150 mm), loại cát (hạt nhỏ, hạt to), và điều kiện ngâm bão hòa hoặc không ngâm.

Cỡ mẫu gồm 11 mẫu thí nghiệm với 5 vị trí đo CBR trên mỗi mẫu để đảm bảo độ tin cậy và tính đại diện. Phương pháp chọn mẫu ngẫu nhiên có kiểm soát khoảng cách tối thiểu 25 cm giữa các điểm thí nghiệm. Quá trình đầm nén kết hợp thủ công và máy móc nhằm đạt dung trọng khô lớn nhất 1,625 g/cm³ và độ ẩm tối ưu 18,3%. Thời gian nghiên cứu kéo dài khoảng 8 tuần, bao gồm thu thập mẫu, chuẩn bị, dưỡng ẩm, và tiến hành thí nghiệm.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Ảnh hưởng bề dày đệm cát đến chỉ số CBR: Kết quả thí nghiệm cho thấy bề dày đệm cát 40 mm là tối ưu, làm tăng chỉ số CBR lên 53,5% đối với cát hạt nhỏ và 65,9% đối với cát hạt to so với mẫu không gia cường. Khi bề dày đệm cát tăng lên 80 mm và 150 mm, chỉ số CBR không tăng đáng kể, thậm chí có xu hướng giảm nhẹ do hiệu ứng phân tán tải trọng.

  2. Ảnh hưởng loại cát đến cường độ CBR: Cát hạt to có góc ma sát trong 41°, cao hơn cát hạt nhỏ (36°), dẫn đến khả năng chịu lực tốt hơn. Mẫu gia cường bằng cát hạt to đạt chỉ số CBR cao hơn trung bình 12% so với cát hạt nhỏ ở cùng bề dày đệm cát.

  3. Ảnh hưởng của quá trình ngâm bão hòa: Mẫu đất bùn sét gia cường sau khi ngâm bão hòa giảm cường độ rất mạnh, với mức giảm chỉ số CBR lên đến 97% so với mẫu không ngâm. Ngâm bão hòa làm mềm bề mặt mẫu, chuyển trạng thái đất thành bùn yếu, gây mất ổn định và giảm khả năng chịu tải.

  4. Tương quan giữa chỉ số CBR và khả năng chịu tải: Dữ liệu thí nghiệm cho thấy chỉ số CBR tăng tương ứng với dung trọng khô và độ ẩm tối ưu của mẫu đất. Mối quan hệ này được thể hiện rõ qua biểu đồ áp lực nén và chiều sâu xuyên của mẫu gia cường, cho thấy sự cải thiện đáng kể về khả năng chịu lực khi sử dụng đệm cát và vải địa kỹ thuật.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính của sự gia tăng cường độ CBR là do sự kết hợp giữa lớp đệm cát và vải địa kỹ thuật tạo ra hiệu ứng gia cường cơ học và thủy lực. Vải địa kỹ thuật không dệt có tính thấm tốt, giúp thoát nước nhanh, giảm áp lực nước lỗ rỗng và ngăn chặn sự xâm nhập của đất bùn vào lớp cát, từ đó duy trì cấu trúc ổn định của nền đất. Đệm cát với bề dày 40 mm đủ để phân phối tải trọng hiệu quả mà không gây lãng phí vật liệu.

So sánh với các nghiên cứu trước đây, kết quả phù hợp với các báo cáo cho thấy gia cường bằng vải địa kỹ thuật và đệm cát giúp tăng chỉ số CBR từ 50% đến 70%. Tuy nhiên, sự giảm mạnh sau khi ngâm bão hòa nhấn mạnh tầm quan trọng của hệ thống thoát nước hiệu quả trong công trình thực tế để tránh làm giảm khả năng chịu tải của nền đất.

Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ so sánh chỉ số CBR theo bề dày đệm cát và loại cát, cũng như bảng tổng hợp tỷ lệ giảm CBR sau ngâm bão hòa, giúp minh họa rõ ràng ảnh hưởng của các yếu tố nghiên cứu.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Áp dụng bề dày đệm cát 40 mm trong gia cường nền đất bùn sét: Đây là bề dày tối ưu giúp tăng chỉ số CBR hiệu quả, tiết kiệm vật liệu và chi phí thi công. Chủ thể thực hiện: các nhà thầu xây dựng và đơn vị thiết kế công trình. Thời gian áp dụng: ngay trong các dự án san lấp mặt bằng hiện tại và tương lai.

  2. Sử dụng vải địa kỹ thuật không dệt kết hợp đệm cát: Vải địa kỹ thuật giúp tăng cường khả năng thoát nước và ngăn chặn xâm nhập đất bùn, nâng cao độ bền của nền đất. Chủ thể thực hiện: nhà cung cấp vật liệu và kỹ sư thiết kế. Thời gian áp dụng: trong giai đoạn chuẩn bị nền đất.

  3. Xây dựng hệ thống thoát nước hiệu quả cho công trình: Để tránh hiện tượng ngâm bão hòa làm giảm cường độ nền đất đến 97%, cần thiết kế hệ thống thoát nước triệt để, đặc biệt trong mùa mưa và khu vực có nguy cơ ngập úng. Chủ thể thực hiện: đơn vị quản lý dự án và kỹ sư môi trường. Thời gian áp dụng: trước và trong quá trình thi công.

  4. Tận dụng đất bùn sét khai thác từ lòng sông làm vật liệu san lấp thay thế cát tự nhiên: Giải pháp này vừa giảm chi phí, vừa bảo vệ tài nguyên cát tự nhiên và môi trường. Chủ thể thực hiện: các cơ quan quản lý tài nguyên và nhà thầu thi công. Thời gian áp dụng: dài hạn, theo kế hoạch phát triển vật liệu xây dựng tỉnh An Giang.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Kỹ sư xây dựng và thiết kế công trình: Nghiên cứu cung cấp dữ liệu thực nghiệm về gia cường nền đất yếu bằng đệm cát và vải địa kỹ thuật, giúp lựa chọn giải pháp thiết kế phù hợp, nâng cao hiệu quả công trình.

  2. Nhà thầu thi công san lấp mặt bằng: Thông tin về bề dày đệm cát tối ưu và vật liệu gia cường giúp tối ưu chi phí, giảm thời gian thi công và đảm bảo chất lượng nền đất.

  3. Cơ quan quản lý tài nguyên và môi trường: Nghiên cứu góp phần định hướng chính sách sử dụng vật liệu thay thế cát tự nhiên, giảm khai thác cát lòng sông, bảo vệ môi trường và ổn định bờ sông.

  4. Các nhà nghiên cứu và sinh viên ngành kỹ thuật xây dựng: Luận văn cung cấp mô hình thí nghiệm hiện trường và dữ liệu thực nghiệm quý giá, làm cơ sở cho các nghiên cứu tiếp theo về gia cường đất yếu và vật liệu xây dựng bền vững.

Câu hỏi thường gặp

  1. Chỉ số CBR là gì và tại sao quan trọng trong xây dựng?
    Chỉ số CBR (California Bearing Ratio) đo khả năng chịu tải của đất hoặc vật liệu làm nền đường, giúp đánh giá độ bền và ổn định của nền móng. Ví dụ, chỉ số CBR cao cho thấy nền đất có khả năng chịu lực tốt, giảm nguy cơ lún và hư hỏng công trình.

  2. Tại sao cần sử dụng vải địa kỹ thuật trong gia cường đất bùn sét?
    Vải địa kỹ thuật không dệt giúp ngăn cách lớp đất bùn và đệm cát, tạo biên thoát nước và tăng cường khả năng chịu kéo, từ đó nâng cao cường độ nền đất. Trong thực tế, vải địa kỹ thuật còn giúp giảm hiện tượng rửa trôi và biến dạng nền.

  3. Bề dày đệm cát tối ưu là bao nhiêu và ảnh hưởng thế nào đến cường độ đất?
    Bề dày đệm cát 40 mm được xác định là tối ưu, giúp tăng chỉ số CBR lên đến 65,9% với cát hạt to. Bề dày quá lớn không mang lại hiệu quả gia cường đáng kể mà còn tăng chi phí vật liệu.

  4. Ảnh hưởng của ngâm bão hòa đến cường độ nền đất như thế nào?
    Ngâm bão hòa làm giảm cường độ CBR đến 97% do đất bùn bị mềm hóa, mất khả năng chịu lực. Do đó, hệ thống thoát nước hiệu quả là cần thiết để duy trì độ bền nền đất trong điều kiện thực tế.

  5. Có thể sử dụng đất bùn khai thác từ lòng sông thay thế cát san lấp không?
    Nghiên cứu cho thấy đất bùn sét gia cường bằng đệm cát và vải địa kỹ thuật có thể thay thế cát san lấp hiệu quả, giúp giảm chi phí và bảo vệ tài nguyên cát tự nhiên, đồng thời tận dụng nguồn vật liệu sẵn có từ nạo vét lòng sông.

Kết luận

  • Đệm cát dày 40 mm kết hợp với vải địa kỹ thuật không dệt là giải pháp tối ưu gia tăng chỉ số CBR của đất bùn sét đầm chặt, tăng khả năng chịu tải nền đất.
  • Cát hạt to có hiệu quả gia cường cao hơn cát hạt nhỏ, phù hợp cho các công trình yêu cầu cường độ cao.
  • Quá trình ngâm bão hòa làm giảm mạnh cường độ nền đất, nhấn mạnh vai trò của hệ thống thoát nước trong thi công và vận hành công trình.
  • Nghiên cứu mở ra hướng sử dụng đất bùn khai thác từ lòng sông thay thế cát san lấp, góp phần bảo vệ môi trường và giảm chi phí xây dựng tại An Giang.
  • Các bước tiếp theo bao gồm triển khai ứng dụng thực tế giải pháp gia cường, đồng thời nghiên cứu thêm về ảnh hưởng lâu dài của điều kiện môi trường đến cường độ nền đất gia cường.

Khuyến nghị các nhà quản lý, kỹ sư và nhà thầu xây dựng áp dụng kết quả nghiên cứu để nâng cao hiệu quả công tác san lấp mặt bằng, đồng thời thúc đẩy phát triển vật liệu xây dựng bền vững tại khu vực Đồng bằng sông Cửu Long.