Tổng quan nghiên cứu

Đồng bằng sông Cửu Long (ĐBSCL) là khu vực có địa chất chủ yếu là đất yếu, đặc biệt là đất bùn sét có hệ số rỗng lớn, tính nén lún cao và sức chống cắt thấp. Theo ước tính, việc xây dựng các công trình giao thông tại đây gặp nhiều khó khăn do nền đất yếu, dẫn đến chi phí xây dựng tăng cao và nguy cơ lún không đều, mất ổn định nền móng. Đất khai thác từ lòng sông được sử dụng làm vật liệu đắp nền đường nhằm giảm chi phí và tránh mất đất canh tác, đồng thời tăng độ sâu lòng sông và đảm bảo cao độ nền đường chống chịu biến đổi khí hậu. Tuy nhiên, đất bùn yếu này cần được gia cường để nâng cao khả năng chịu lực và rút ngắn thời gian cố kết.

Mục tiêu nghiên cứu là đánh giá ảnh hưởng của năng lượng đầm và độ ẩm đến cường độ và chỉ số CBR (California Bearing Ratio) của đất sét yếu được gia cường bằng vải địa kỹ thuật không dệt và đệm cát. Nghiên cứu thực hiện trong phòng thí nghiệm với các mẫu đất bùn sét nạo vét từ lòng sông Cái Lớn, tỉnh Kiên Giang, trong khoảng thời gian từ 2017 đến 2019. Kết quả nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc đề xuất giải pháp gia cường nền đất yếu, góp phần nâng cao hiệu quả thi công và độ bền công trình giao thông tại ĐBSCL.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu dựa trên lý thuyết nén một trục CBR, chỉ số CBR biểu thị sức chịu tải của đất so với vật liệu tiêu chuẩn theo phương pháp AASHTO. Công thức tính CBR theo tiêu chuẩn TCVN 22 TCN 332-06 được sử dụng để xác định giá trị CBR tại các độ sâu ép lún 2,54 mm và 5,08 mm. Các khái niệm chính bao gồm:

  • Chỉ số CBR: Thước đo khả năng chịu tải của đất nền.
  • Năng lượng đầm: Số chày đầm mỗi lớp (10, 25, 56 chày) ảnh hưởng đến độ chặt của mẫu đất.
  • Gia cường vải địa kỹ thuật: Vải không dệt có khả năng thoát nước và tăng cường độ chịu kéo, giúp cải thiện cường độ đất.
  • Đệm cát: Lớp cát mỏng tạo biên thoát nước, đẩy nhanh quá trình cố kết đất bùn yếu.

Các mô hình nghiên cứu tập trung vào tương quan giữa năng lượng đầm, độ ẩm, số lớp vải địa kỹ thuật, chiều dày đệm cát và chỉ số CBR của mẫu đất.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu thu thập từ các mẫu đất bùn sét nạo vét tại lòng sông Cái Lớn, Kiên Giang. Mẫu đất thuộc loại đất sét bùn dẻo cao (OH-MH) theo phân loại USCS, với độ ẩm tự nhiên 55,4%, hệ số rỗng ban đầu 1,55. Vải địa kỹ thuật sử dụng là loại không dệt, có độ dày 1,3 mm, khả năng chịu kéo theo phương dọc và ngang lần lượt là 9,28 kN/m và 7,08 kN/m. Đệm cát sạch, ít hạt mịn, có tỷ trọng 2,66 và khối lượng thể tích tại độ chặt 90% là 1,538 g/cm³.

Phương pháp phân tích chính là thí nghiệm nén một trục CBR trong phòng thí nghiệm theo tiêu chuẩn TCVN 22 TCN 332-06. Các mẫu được tạo ở độ ẩm tối ưu (OMC) và được phân thành mẫu không ngâm và mẫu ngâm (ngâm trong nước 96 giờ). Năng lượng đầm được điều chỉnh qua số chày đầm mỗi lớp: 10, 25 và 56 chày. Các tổ mẫu gồm đất không gia cường, đất gia cường 1, 2, 3 và 5 lớp vải địa kỹ thuật, cũng như đất gia cường đệm cát với chiều dày 1 cm, 1,5 cm, 2 cm và 4 cm kết hợp với vải địa kỹ thuật. Cỡ mẫu tổng cộng khoảng 20 mẫu cho mỗi tổ, 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 năng lượng đầm đến chỉ số CBR của mẫu không gia cường: Mẫu đất không gia cường ở độ ẩm tối ưu cho thấy chỉ số CBR tăng theo năng lượng đầm. Cụ thể, mẫu đầm 56 chày có chỉ số CBR cao hơn 3,25 lần so với mẫu 10 chày và cao hơn 1,8 lần so với mẫu 25 chày.

  2. Tác động của gia cường vải địa kỹ thuật: Mẫu gia cường 2 lớp vải địa kỹ thuật đầm ở mức năng lượng 56 chày đạt chỉ số CBR cao nhất, gấp hơn 10 lần so với mẫu không gia cường cùng điều kiện ngâm. Số lớp vải gia cường càng nhiều thì chỉ số CBR càng tăng, tuy nhiên hiệu quả gia cường giảm dần khi vượt quá 3 lớp.

  3. Hiệu quả của đệm cát kết hợp với vải địa kỹ thuật: Mẫu gia cường với đệm cát dày 1,5 cm và vải địa kỹ thuật, đầm ở mức năng lượng 56 chày, đạt chỉ số CBR cao nhất, gấp 8 lần so với mẫu không gia cường trong điều kiện ngâm. Đệm cát giúp tạo biên thoát nước, đẩy nhanh quá trình cố kết và tăng cường độ chịu lực.

  4. Ảnh hưởng của quá trình ngâm mẫu: Quá trình ngâm làm giảm chỉ số CBR của mẫu không gia cường khoảng 30-40%, trong khi mẫu gia cường giảm ít hơn, chứng tỏ lớp gia cường giúp hạn chế sự suy giảm cường độ do ngâm nước.

Thảo luận kết quả

Kết quả cho thấy năng lượng đầm đóng vai trò quan trọng trong việc tăng độ chặt và chỉ số CBR của đất bùn yếu. Việc gia cường bằng vải địa kỹ thuật không dệt giúp tăng khả năng chịu lực nhờ cơ chế hạn chế dịch chuyển ngang và tăng tính toàn vẹn của nền đất. Đệm cát kết hợp với vải địa kỹ thuật tạo thành hệ liên kết hiệu quả, vừa làm biên thoát nước, vừa tăng cường khả năng chịu tải.

So sánh với các nghiên cứu trong và ngoài nước, kết quả phù hợp với các báo cáo về hiệu quả gia cường đất yếu bằng vải địa kỹ thuật và đệm cát, như nghiên cứu của Yu và cộng sự (2005) và Zhou và cộng sự (2008). Biểu đồ thể hiện mối quan hệ giữa chỉ số CBR và năng lượng đầm, số lớp vải, chiều dày đệm cát sẽ minh họa rõ ràng sự cải thiện cường độ đất theo từng yếu tố.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Áp dụng gia cường vải địa kỹ thuật 2 lớp kết hợp đệm cát dày 1,5 cm cho nền đất bùn yếu tại ĐBSCL nhằm tăng chỉ số CBR lên gấp 8-10 lần, cải thiện khả năng chịu tải và ổn định nền. Thời gian thực hiện: trong giai đoạn chuẩn bị nền trước khi thi công.

  2. Tăng năng lượng đầm đến mức 56 chày/lớp trong quá trình đầm nén để đạt độ chặt tối ưu, nâng cao cường độ đất nền. Chủ thể thực hiện: nhà thầu thi công và kỹ sư giám sát.

  3. Kiểm soát độ ẩm mẫu đất ở mức độ ẩm tối ưu (OMC) để đảm bảo hiệu quả gia cường và giảm thiểu biến dạng do ngâm nước. Thời gian: trong quá trình chuẩn bị và tạo mẫu đất.

  4. Theo dõi và đánh giá chỉ số CBR định kỳ sau khi thi công để kiểm soát chất lượng nền đất gia cường, đặc biệt trong điều kiện ngâm nước lâu dài. Chủ thể thực hiện: đơn vị tư vấn giám sát và chủ đầu tư.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Kỹ sư xây dựng và thiết kế công trình giao thông: Nghiên cứu cung cấp dữ liệu thực nghiệm về gia cường đất yếu, hỗ trợ thiết kế nền đường bền vững.

  2. Nhà thầu thi công nền móng: Áp dụng các giải pháp gia cường vải địa kỹ thuật và đệm cát để nâng cao chất lượng thi công và giảm thiểu rủi ro lún nền.

  3. Chuyên gia nghiên cứu địa kỹ thuật: Tham khảo phương pháp thí nghiệm CBR và phân tích ảnh hưởng của năng lượng đầm, độ ẩm đến cường độ đất gia cường.

  4. Cơ quan quản lý và quy hoạch hạ tầng: Sử dụng kết quả nghiên cứu để xây dựng tiêu chuẩn kỹ thuật và quy định về xử lý nền đất yếu tại vùng ĐBSCL.

Câu hỏi thường gặp

  1. Chỉ số CBR là gì và tại sao quan trọng?
    Chỉ số CBR đo khả năng chịu tải của đất so với vật liệu tiêu chuẩn, giúp đánh giá chất lượng nền đường. Ví dụ, chỉ số CBR cao hơn đồng nghĩa với nền đất có khả năng chịu lực tốt hơn, giảm nguy cơ lún.

  2. Năng lượng đầm ảnh hưởng thế nào đến cường độ đất?
    Năng lượng đầm càng lớn (số chày đầm nhiều hơn) làm tăng độ chặt của đất, từ đó nâng cao chỉ số CBR. Nghiên cứu cho thấy mẫu đầm 56 chày có CBR cao hơn 3,25 lần so với mẫu 10 chày.

  3. Tại sao cần gia cường đất bằng vải địa kỹ thuật và đệm cát?
    Vải địa kỹ thuật giúp tăng cường độ chịu kéo và hạn chế dịch chuyển ngang, đệm cát tạo biên thoát nước đẩy nhanh quá trình cố kết, kết hợp lại giúp tăng khả năng chịu tải và ổn định nền đất yếu.

  4. Ảnh hưởng của độ ẩm và ngâm nước đến chỉ số CBR như thế nào?
    Độ ẩm cao và ngâm nước làm giảm chỉ số CBR do đất mất độ bền. Tuy nhiên, lớp gia cường giúp giảm thiểu sự suy giảm này, giữ cho nền đất ổn định hơn trong điều kiện ngâm.

  5. Có thể áp dụng kết quả nghiên cứu này ở những vùng khác không?
    Kết quả phù hợp với các vùng có đất bùn sét yếu tương tự ĐBSCL. Tuy nhiên, cần điều chỉnh theo đặc tính địa chất và điều kiện môi trường cụ thể của từng khu vực.

Kết luận

  • Năng lượng đầm và độ ẩm ảnh hưởng rõ rệt đến chỉ số CBR của đất bùn yếu, với mức năng lượng đầm 56 chày cho chỉ số CBR cao nhất.
  • Gia cường bằng 2 lớp vải địa kỹ thuật không dệt kết hợp đệm cát dày 1,5 cm làm tăng chỉ số CBR lên gấp 8-10 lần so với đất không gia cường.
  • Quá trình ngâm nước làm giảm chỉ số CBR nhưng hiệu ứng này được giảm thiểu đáng kể nhờ lớp gia cường.
  • Giải pháp gia cường này phù hợp để ứng dụng trong xây dựng nền đường giao thông tại ĐBSCL, giúp nâng cao độ bền và ổn định công trình.
  • Các bước tiếp theo bao gồm triển khai thí nghiệm thực địa và đánh giá lâu dài hiệu quả gia cường trong điều kiện tự nhiên.

Để nâng cao hiệu quả thi công và đảm bảo chất lượng công trình, các kỹ sư và nhà quản lý nên áp dụng các giải pháp gia cường đã được nghiên cứu và kiểm chứng trong luận văn này.