Nghiên cứu ứng xử và biện pháp thi công đệm cát thúc đẩy cố kết đất bùn làm nền đường giao thông

Luận văn thạc sĩ phân tích nghiên cứu ứng xử và biện pháp thi công đệm cát thúc đẩy quá trình cố kết đất bùn làm nền đường, đánh giá thực trạng, chỉ ra hạn chế, đề xuất giải pháp

• Tác giả: Nguyễn Trường Sơn
• Người hướng dẫn: TS. Nguyễn Thế Anh
• Trường học: Trường Đại học Sư phạm kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Xây dựng và Cơ học ứng dụng
• Đề tài: Nghiên cứu biện pháp thi công đệm cát để cải thiện cố kết đất bùn cho nền đường giao thông
• Loại tài liệu: Luận văn
• Năm xuất bản: 2017
• Địa điểm: Tp Hồ Chí Minh

Mục lục chi tiết

• LỜI CAM ĐOAN
• LỜI CẢM ƠN
• TÓM TẮT
• ABSTRACT
• 1. CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU TỔNG QUÁT
• 1.1. Tổng quan tình hình nghiên cứu và sự cần thiết tiến hành nghiên cứu
• 1.1.1. Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước
• 1.1.2. Sự cần thiết tiến hành nghiên cứu
• 1.1.3. Tính mới, tính thời sự, ý nghĩa khoa học
• 1.1.3.1. Tính mới
• 1.1.3.2. Tính thời sự
• 1.1.3.3. Ý nghĩa khoa học
• 1.1.4. Ý nghĩa thực tiễn áp dụng
• 2. CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT TÍNH TOÁN
• 2.1. Tính toán độ lún cố kết của đất theo lý thuyết thấm 1 chiều, Terzaghi
• 2.2. Tính toán độ chặt và chiều cao lớp đất trong đầm chặt đất
• 3. CHƯƠNG 3: VẬT LIỆU, THÍ NGHIỆM HIỆN TRƯỜNG
• 3.1. Đất bùn sét nạo vét
• 3.2. Vải địa kỹ thuật
• 3.3. Biện pháp thí nghiệm hiện trường
• 3.3.1. Nạo vét sông và phơi đất
• 3.3.2. Thí nghiệm hiện trường đất đắp không gia cường
• 3.3.3. Thí nghiệm hiện trường nền đường gia cường đệm cát và vải địa kỹ thuật
• 3.3.4. Phương pháp xác định lún công trình theo thời gian
• 3.3.5. Thí nghiệm hiện trường lu đầm nền đường
• 4. CHƯƠNG 4: KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU
• 4.1. Tương quan độ lún cố kết theo thời gian của đất đắp dưới ảnh hưởng của đệm cát và vải địa kỹ thuật
• 4.2. Ứng xử lún của đất đắp dưới ảnh hưởng của đệm cát và vải địa kỹ thuật dưới tác dụng của tải trọng
• 4.3. Ứng xử đầm chặt của đất đắp dưới ảnh hưởng của đệm cát và vải địa kỹ thuật
• 4.4. Đánh giá hiệu quả kinh tế phương án gia cường đất đắp
• 4.4.1. Đánh giá hiệu quả kinh tế thi công đất đắp
• 4.4.2. Đánh giá hiệu quả kinh tế thi công đường trên bờ bao
• 5. CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
• TÀI LIỆU THAM KHẢO NƯỚC NGOÀI
• TÀI LIỆU THAM KHẢO TRONG NƯỚC

Tóm tắt

I. Giới thiệu về biện pháp thi công đệm cát cho nền đường giao thông

Nền đường giao thông đóng vai trò quan trọng trong việc kết nối các khu vực và phát triển kinh tế. Tuy nhiên, việc sử dụng đất bùn làm nền đường thường gặp nhiều thách thức do tính chất yếu kém của loại đất này. Nghiên cứu này sẽ tập trung vào việc áp dụng biện pháp thi công đệm cát nhằm cải thiện quá trình cố kết của đất bùn. Mục tiêu là tìm ra giải pháp hiệu quả để nâng cao khả năng chịu tải và giảm thiểu thời gian thi công.

1.1. Tình hình nghiên cứu và ứng dụng đệm cát trong xây dựng

Nhiều nghiên cứu đã chỉ ra rằng việc sử dụng đệm cát kết hợp với vải địa kỹ thuật có thể cải thiện đáng kể khả năng chịu lực của nền đường. Các ứng dụng thực tiễn cho thấy đệm cát không chỉ giúp tăng cường độ chặt mà còn giảm thời gian cố kết của đất bùn.

1.2. Lợi ích của việc cải thiện nền đường bằng đệm cát

Việc áp dụng biện pháp thi công đệm cát mang lại nhiều lợi ích như giảm chi phí xây dựng, tăng cường độ bền cho nền đường và đảm bảo an toàn giao thông. Đặc biệt, trong bối cảnh biến đổi khí hậu, việc cải thiện nền đường giúp tăng khả năng chống chịu với các hiện tượng thời tiết cực đoan.

II. Vấn đề và thách thức trong thi công nền đường từ đất bùn

Đất bùn thường có tính chất cơ học yếu, dẫn đến nhiều vấn đề trong thi công nền đường. Các thách thức này bao gồm độ lún không đều, thời gian cố kết kéo dài và khả năng chịu tải thấp. Việc nhận diện và giải quyết những vấn đề này là rất cần thiết để đảm bảo sự ổn định của nền đường.

2.1. Đặc điểm của đất bùn và ảnh hưởng đến thi công

Đất bùn có hệ số rỗng lớn và khả năng chịu lực kém, dẫn đến việc nền đường dễ bị lún và biến dạng. Điều này đòi hỏi các biện pháp gia cố hiệu quả để cải thiện tính chất của đất bùn.

2.2. Thời gian cố kết và các yếu tố ảnh hưởng

Thời gian cố kết của đất bùn phụ thuộc vào nhiều yếu tố như độ ẩm, áp lực tải trọng và phương pháp thi công. Việc áp dụng đệm cát có thể rút ngắn thời gian này, giúp tăng tốc độ thi công.

III. Phương pháp thi công đệm cát cải thiện cố kết đất bùn

Phương pháp thi công đệm cát bao gồm việc sử dụng lớp cát kẹp giữa các lớp vải địa kỹ thuật. Phương pháp này không chỉ giúp tăng cường độ chặt của đất bùn mà còn tạo ra một hệ thống thoát nước hiệu quả, từ đó đẩy nhanh quá trình cố kết.

3.1. Quy trình thi công đệm cát

Quy trình thi công bao gồm các bước như chuẩn bị mặt bằng, lắp đặt lớp vải địa kỹ thuật, và rải lớp cát. Mỗi bước cần được thực hiện cẩn thận để đảm bảo hiệu quả của phương pháp.

3.2. Đánh giá hiệu quả của phương pháp thi công

Kết quả nghiên cứu cho thấy việc sử dụng đệm cát kết hợp với vải địa kỹ thuật giúp tăng cường độ chặt của đất bùn lên đến 2.8% sau 6 tháng thi công, đồng thời giảm thời gian cố kết xuống 48 ngày.

IV. Ứng dụng thực tiễn và kết quả nghiên cứu

Nghiên cứu đã được thực hiện trên mô hình thí nghiệm tỷ lệ thực tế tại Kiên Giang. Kết quả cho thấy phương pháp thi công đệm cát không chỉ cải thiện khả năng chịu tải mà còn giảm chi phí thi công tổng thể.

4.1. Kết quả thí nghiệm và phân tích

Kết quả thí nghiệm cho thấy lớp đất bùn được gia cố bằng đệm cát và vải địa kỹ thuật có khả năng chịu tải cao hơn so với lớp đất không gia cố. Điều này chứng tỏ tính hiệu quả của phương pháp.

4.2. Ứng dụng trong thực tế

Phương pháp thi công này đã được áp dụng thành công trong nhiều dự án xây dựng đường giao thông nông thôn, giúp cải thiện đáng kể chất lượng nền đường và giảm thiểu chi phí.

V. Kết luận và triển vọng tương lai của nghiên cứu

Nghiên cứu về biện pháp thi công đệm cát cho nền đường giao thông từ đất bùn đã chỉ ra nhiều tiềm năng trong việc cải thiện chất lượng công trình. Việc áp dụng các công nghệ mới sẽ tiếp tục được nghiên cứu và phát triển để tối ưu hóa quy trình thi công.

5.1. Tóm tắt kết quả nghiên cứu

Kết quả nghiên cứu cho thấy việc sử dụng đệm cát kết hợp với vải địa kỹ thuật là một giải pháp hiệu quả để cải thiện nền đường từ đất bùn, giúp tăng cường độ bền và giảm thời gian thi công.

5.2. Hướng nghiên cứu trong tương lai

Các nghiên cứu tiếp theo sẽ tập trung vào việc tối ưu hóa thiết kế lớp đệm cát và vải địa kỹ thuật, cũng như đánh giá hiệu quả kinh tế của phương pháp thi công này trong các dự án lớn hơn.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Khu vực Đồng bằng sông Cửu Long sở hữu mạng lưới sông ngòi, kênh rạch dày đặc với hàng triệu mét khối bùn sét trầm tích Holocen được nạo vét mỗi năm. Nguồn vật liệu này có đặc tính cơ lý rất bất lợi với hệ số rỗng ban đầu $e_0 = 1.55$, độ ẩm tự nhiên cao đạt 55.4%, dung trọng khô thấp $\gamma_k = 10.4\text{ kN/m}^3$ và sức chịu tải rất yếu. Theo tiêu chuẩn thiết kế đường ô tô TCVN 4054:2005, đất bùn sét không được khuyến khích sử dụng trực tiếp làm nền đắp cho các công trình giao thông đường bộ. Tuy nhiên, việc vận chuyển đất đắp từ nơi khác đến làm tăng chi phí xây dựng, gây lãng phí diện tích đất canh tác nông nghiệp và gia tăng nguy cơ sạt lở bờ sông do thiếu hụt cao trình đê bao trước biến đổi khí hậu.

Nghiên cứu được thực hiện nhằm giải quyết bài toán tận dụng trực tiếp bùn sét nạo vét lòng kênh Cái Lớn, tỉnh Kiên Giang làm nền đường giao thông nông thôn cấp V và cấp VI. Mục tiêu trọng tâm là đánh giá ứng xử lún cố kết, xác định sức chịu tải sau khi đầm chặt và phân tích hiệu quả kinh tế của giải pháp gia cường kết cấu dạng Sandwich kết hợp giữa vải địa kỹ thuật không dệt và lớp đệm cát thoát nước. Phạm vi nghiên cứu bao gồm mô hình thí nghiệm hiện trường tỷ lệ thực được triển khai và theo dõi liên tục trong 180 ngày (từ tháng 2/2017 đến tháng 8/2017).

Kết quả nghiên cứu mang lại ý nghĩa thực tiễn to lớn khi chứng minh giải pháp gia cường đệm cát và vải địa kỹ thuật giúp rút ngắn 48 ngày thời gian chờ cố kết so với nền đất không gia cường, gia tăng độ chặt thêm 2.8% sau 6 tháng và đạt độ chặt $K = 0.95$ sau khi lu đầm bằng xe 10 tấn. Mặc dù chi phí xử lý nền đắp tăng gấp đôi, tổng dự toán xây dựng nền và mặt đường hoàn thiện lại giảm hơn 121 triệu đồng trên mỗi kilomet tuyến, mở ra giải pháp kỹ thuật bền vững và tiết kiệm cho hạ tầng giao thông khu vực Tây Nam Bộ.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu ứng dụng lý thuyết cố kết thấm một chiều cổ điển của Terzaghi để mô tả quá trình tiêu tán áp lực nước lỗ rỗng và biến dạng nén lún của nền đất dính bão hòa nước theo thời gian. Hệ số cố kết theo phương đứng $C_v$ được xác định thông qua hệ số thấm $k_v$ và hệ số nén thể tích $m_v$:

$$C_v = \frac{k_v}{m_v \cdot \gamma_w}$$

Trong đó nhân tố thời gian $T_v$ phụ thuộc trực tiếp vào chiều dài đường thấm $h$ và thời gian cố kết $t$ theo công thức $T_v = \frac{C_v \cdot t}{h^2}$. Độ cố kết trung bình của lớp đất đắp do tải trọng bản thân gây ra được xác định qua hàm giải tích:

$$U(T_v) = 1 - 1.032 \cdot e^{-\frac{\pi^2 \cdot T_v}{4}}$$

Bên cạnh đó, nghiên cứu tích hợp lý thuyết đầm chặt đất của D'Appolonia (1969) nhằm xác định chiều sâu ảnh hưởng hiệu quả của lu rung cơ giới và kiểm soát giới hạn chiều dày lớp rải không vượt quá 0.5 m để đạt dung trọng khô lớn nhất $\gamma_{k-\max} = 15.11\text{ kN/m}^3$ tại độ ẩm tối ưu $OMC = 19.45%$. Hệ thống phân loại đất thống nhất USCS xác định đất bùn nạo vét thuộc nhóm OH-MH (đất sét bùn dẻo cao) với giới hạn chảy $LL = 91.5%$, giới hạn dẻo $PL = 44.9%$, chỉ số dẻo $PI = 46$ và tỷ trọng hạt $G_s = 2.65$.

Mô hình kết cấu đề xuất sử dụng nguyên lý gia cường dạng Sandwich: lớp bùn sét nạo vét được đắp phân tầng, kẹp giữa hai lớp vải địa kỹ thuật không dệt và một lớp đệm cát dày 5 cm đóng vai trò là tầng thoát nước ngang hai phía, triệt tiêu áp lực nước lỗ rỗng và ngăn chặn sự xâm nhập của hạt sét mịn vào lớp đệm cát.

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu thu thập mẫu đất bùn nguyên dạng tại lòng sông Cái Lớn, tỉnh Kiên Giang với thành phần hạt mịn chiếm 82.7% và hạt thô chiếm 17.3%. Vật liệu gia cường sử dụng vải địa kỹ thuật không dệt có khối lượng riêng $125\text{ g/m}^2$, bề dày $1.5\text{ mm}$, cường độ kéo đứt theo phương dọc đạt $9.0\text{ kN/m}$, độ dãn dài khi đứt 62.5%, kích thước lỗ lọc $O_{90} = 0.12\text{ mm}$ và lưu lượng thấm ở 100 mm cột nước đạt $170\text{ l/m}^2/\text{giây}$.

Quy trình thí nghiệm được triển khai ngoài hiện trường với mô hình tỷ lệ thực trên nền đắp bờ bao có bề rộng mặt $B = 6\text{ m}$, mái dốc taluy $m = 1:1$, chiều cao hoàn thiện $+2.9\text{ m}$ (đối với phương án gia cường 3 lớp) và $+2.2\text{ m}$ (đối với phương án không gia cường). Sau giai đoạn xáng cạp nạo vét và phơi đất sơ bộ 6 tháng trên bờ lưu không 3 m, đất được đưa vào tim đường theo hai phương án đối chứng.

Hệ thống quan trắc lún được thiết lập gồm 3 mặt cắt ngang (CĐ1, CĐ2, CĐ3) đặt cách nhau $5\text{ m}$. Mỗi mặt cắt bố trí 3 điểm đo cao độ chính xác tại lề trái, tim đường và lề phải. Tần suất quan trắc kéo dài trong 180 ngày với 8 đợt đo (tháng đầu tiên đo 4 lần với chu kỳ 1 tuần/lần; 5 tháng tiếp theo đo 1 lần/tháng). Sau 6 tháng chờ cố kết, tiến hành lu lèn bằng xe lu 10 tấn và kiểm tra độ chặt, dung trọng khô hiện trường bằng phương pháp dao vòng theo tiêu chuẩn 22TCN 02-71. Dữ liệu kinh tế được tổng hợp và phân tích dự toán chi tiết trên 1 km tuyến dựa theo đơn giá xây dựng tỉnh Kiên Giang ban hành năm 2017.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Quá trình quan trắc và phân tích dữ liệu thực nghiệm đã ghi nhận bốn phát hiện khoa học mang tính đột phá:

Thứ nhất, kết cấu Sandwich gia cường đệm cát và vải địa kỹ thuật đẩy nhanh vượt trội tốc độ lún cố kết của bản thân khối đất đắp. Sau 180 ngày thi công, độ lún nội tại của khối đắp gia cường đạt $S_{1-t} = 27.38\text{ cm}$, cao hơn đáng kể so với mức $25.73\text{ cm}$ của khối đắp không gia cường. Theo quy luật tương quan tuyến tính giữa độ lún và logarit thời gian ($\log t$), đất đắp gia cường chỉ cần 132 ngày để đạt độ lún $25.73\text{ cm}$, giúp rút ngắn 48 ngày (tương đương giảm 26.7% thời gian chờ lún cố kết) so với phương án truyền thống.

Thứ hai, giải pháp gia cường bảo vệ hiệu quả khả năng chịu lực của nền đất tự nhiên bên dưới. Độ lún của nền đất tự nhiên dưới khối đắp gia cường chỉ là $S_{2-t} = 4.62\text{ cm}$, giảm tới 59% so với mức lún $11.27\text{ cm}$ ở trường hợp không gia cường. Khi chịu tải trọng đầm nén của xe lu 10 tấn, độ lún nén của nền đường gia cường chỉ đạt $19\text{ cm}$ (so với $26\text{ cm}$ ở nền không gia cường), giúp tổng độ lún toàn phần giảm từ $63\text{ cm}$ xuống còn $51\text{ cm}$ (giảm 19.05%).

Thứ ba, các chỉ tiêu cơ lý về độ chặt và dung trọng khô của đất đắp được cải thiện rõ rệt. Sau 6 tháng tự cố kết, độ chặt $K$ của nền gia cường tăng 2.8% và dung trọng khô tăng 2.58% so với nền không gia cường. Sau khi hoàn tất công tác lu lèn cơ giới, độ chặt của nền gia cường đạt mức $K = 0.95$, cao hơn 5.5% so với mức $K = 0.90$ của nền đắp thông thường.

Thứ tư, phân tích tài chính khẳng định tính khả thi kinh tế vượt trội của phương án gia cường trên toàn bộ vòng đời thi công. Mặc dù chi phí thi công 1 km nền đất đắp gia cường đệm cát và vải địa kỹ thuật là 557.658.000 đồng (cao hơn 97.4% so với chi phí 282.399.000 đồng của phương án không gia cường), nhưng nhờ nền móng vững chắc, chi phí thi công kết cấu mặt đường bên trên đã giảm từ 2.138.000.000 đồng xuống 1.741.000.000 đồng. Tổng kinh phí xây dựng hoàn thiện tuyến đường gia cường là 2.298.658.000 đồng/km, tiết kiệm được 121.741.000 đồng/km (tương đương giảm 5.03% tổng mức đầu tư) so với phương án không gia cường (2.420.399.000 đồng/km).

Thảo luận kết quả

Cơ chế hoạt động của kết cấu gia cường được giải thích thông qua sự thay đổi cơ bản về sơ đồ thoát nước trong khối đất đắp. Ở phương án không gia cường, lượng nước lỗ rỗng thoát ra trong quá trình nén ép trọng lực chủ yếu thấm thẳng đứng xuống nền đất tự nhiên bên dưới, làm bão hòa nước và suy giảm nghiêm trọng sức kháng cắt của tầng đất đáy. Ngược lại, lớp đệm cát dày 5 cm đóng vai trò như một tầng thấm ngang có hệ số thấm cực lớn, thu gom toàn bộ lượng nước cố kết và dẫn thoát nhanh chóng ra hai mái taluy và bề mặt.

Vải địa kỹ thuật không dệt với kích thước lỗ lọc $O_{90} = 0.12\text{ mm}$ giữ vai trò màng lọc ngăn cách tuyệt đối, triệt tiêu hiện tượng bùn sét mịn xông lấn gây tắc nghẽn tầng cát, duy trì lưu lượng thấm liên tục $170\text{ l/m}^2/\text{giây}$. Đồng thời, sức kháng kéo của vải địa ($9.0\text{ kN/m}$) tạo ra hiệu ứng neo giữ, hạn chế biến dạng trượt ngang của khối đắp khi xe lu 10 tấn tác dụng tải trọng động.

Kết quả này hoàn toàn tương đồng với các công trình nghiên cứu của Yang và cộng sự (2015) cũng như Abdi và cộng sự (2009) khi khẳng định lớp vật liệu hạt thô kẹp giữa vải địa kỹ thuật giúp gia tăng tương tác ma sát tiếp xúc và sức chịu tải của đất sét yếu. Toàn bộ dữ liệu quan trắc lún khi biểu diễn trên đồ thị bán logarit đều cho thấy sự đồng quy tuyến tính chặt chẽ, chứng minh tính tin cậy cao của mô hình tính toán lún cố kết trong điều kiện thi công thực tế tại Kiên Giang.

Đề xuất và khuyến nghị

Dựa trên kết quả nghiên cứu thực nghiệm và đánh giá kinh tế - kỹ thuật, các đề xuất ứng dụng được cụ thể hóa như sau:

Thứ nhất, Sở Giao thông Vận tải tỉnh Kiên Giang và các ban quản lý dự án cấp huyện cần áp dụng ngay công nghệ gia cường Sandwich (hai lớp vải địa kỹ thuật không dệt khối lượng $125\text{ g/m}^2$ kẹp lớp đệm cát dày 5 cm) vào các dự án nâng cấp đường giao thông nông thôn ven sông giai đoạn 2024–2026. Mục tiêu hướng tới là rút ngắn 25–27% thời gian chờ lún cố kết và tiết kiệm tối thiểu 5% tổng mức đầu tư xây dựng hạ tầng giao thông cấp V, cấp VI.

Thứ hai, các đơn vị tư vấn thiết kế và nhà thầu thi công phải bắt buộc chuẩn hóa quy trình xử lý bùn nạo vét thông qua biện pháp phơi đất tự nhiên tối thiểu 180 ngày (6 tháng) trên bờ lưu không. Biện pháp này giúp hạ độ ẩm tự nhiên từ 55.4% về ngưỡng độ ẩm thi công cơ giới, triệt tiêu nguy cơ sụt lún mái taluy trong quá trình máy đào vận hành gạt bờ bao.

Thứ ba, Bộ Giao thông Vận tải và Sở Xây dựng các tỉnh Tây Nam Bộ cần ban hành hướng dẫn kỹ thuật thi công đầm nén phân tầng đất bùn gia cường với chiều dày mỗi lớp rải không vượt quá 0.5 m. Quy trình đầm nén phải sử dụng lu tĩnh kết hợp lu rung tải trọng 10 tấn nhằm đảm bảo toàn bộ chiều sâu khối đắp đạt độ chặt thiết kế $K \ge 0.95$.

Thứ tư, các tổ chức tư vấn giám sát địa kỹ thuật cần triển khai hệ thống quan trắc lún tách biệt giữa biến dạng nội tại của khối đất đắp ($S_{1-t}$) và độ lún của nền đất tự nhiên dưới đáy đắp ($S_{2-t}$) trong suốt chu kỳ 180 ngày. Việc kiểm soát độc lập này giúp đánh giá chính xác thời điểm kết thúc lún cố kết để tiến hành thảm mặt đường, loại bỏ hoàn toàn hiện tượng nứt gãy mặt đường sau khi đưa vào khai thác.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

Công trình nghiên cứu cung cấp cơ sở khoa học và hướng dẫn thực hành giá trị cho các nhóm đối tượng:

Nhóm thứ nhất là các kỹ sư thiết kế và chuyên gia tư vấn địa kỹ thuật công trình giao thông. Luận văn cung cấp toàn bộ công thức tính toán độ lún cố kết, thông số cơ lý chi tiết của bùn sét Kiên Giang và mô hình giải tích dự báo thời gian chờ lún chính xác theo hàm logarit thời gian.

Nhóm thứ tư là các nhà thầu thi công xây dựng hạ tầng giao thông và thủy lợi nông thôn. Tài liệu mô tả trực quan biện pháp tổ chức thi công thực tế từ khâu xáng cạp nạo vét, phơi đất, rải vải địa kỹ thuật, thi công đệm cát 5 cm đến quy trình lu lèn bằng xe 10 tấn đạt độ chặt $K = 0.95$.

Nhóm thứ ba là các cơ quan quản lý nhà nước như Sở GTVT, Sở Nông nghiệp & Phát triển Nông thôn và Ban Quản lý Dự án các tỉnh Đồng bằng sông Cửu Long. Dữ liệu so sánh kinh tế chi tiết giúp chủ đầu tư có căn cứ phê duyệt phương án tận dụng bùn nạo vét, giảm chi phí giải phóng mặt bằng và tối ưu ngân sách công.

Nhóm thứ hai là các giảng viên, học viên cao học và nghiên cứu sinh chuyên ngành Kỹ thuật Xây dựng Công trình Giao thông, Địa kỹ thuật - Địa môi trường. Đây là tài liệu tham khảo giá trị với mô hình thực nghiệm tỷ lệ thực ngoài hiện trường cùng hệ thống số liệu quan trắc 8 đợt đo đạc tin cậy.

Câu hỏi thường gặp

1. Đất bùn sét nạo vét lòng sông có thực sự đủ điều kiện làm nền đường giao thông nông thôn không?

Hoàn toàn đủ điều kiện nếu áp dụng đúng quy trình công nghệ gia cường. Mặc dù đất bùn lòng kênh Cái Lớn có độ ẩm tự nhiên cao 55.4% và thuộc nhóm đất dẻo cao OH-MH, nhưng sau 6 tháng phơi khô và kết hợp đệm cát - vải địa kỹ thuật, đất đạt độ chặt $K = 0.95$ sau lu lèn xe 10 tấn, đáp ứng tốt yêu cầu kỹ thuật nền đường cấp V và VI.

2. Cấu tạo của lớp gia cường kiểu Sandwich trong nghiên cứu gồm những thành phần nào?

Kết cấu Sandwich gồm một lớp đệm cát dày 5 cm được kẹp chặt giữa hai lớp vải địa kỹ thuật không dệt khối lượng $125\text{ g/m}^2$. Cấu trúc này tạo thành tầng thoát nước ngang hai phía, vừa ngăn hạt sét mịn kích thước nhỏ hơn 0.005 mm xâm nhập gây tắc cát, vừa tăng ma sát tiếp xúc và chống biến dạng trượt ngang cho khối đất đắp.

3. Vì sao chi phí thi công nền đắp gia cường tăng gấp đôi nhưng tổng mức đầu tư dự án lại giảm?

Dù chi phí phần nền đắp gia cường tăng từ 282.399.000 đồng lên 557.658.000 đồng/km, nhưng nhờ nền móng đạt độ chặt cao $K = 0.95$ và độ lún ổn định, kết cấu áo đường phía trên giảm đáng kể bề dày và chi phí vật liệu (giảm từ 2.138.000.000 đồng xuống 1.741.000.000 đồng/km), giúp tiết kiệm ròng 121.741.000 đồng/km.

4. Giải pháp gia cường đệm cát và vải địa kỹ thuật giúp rút ngắn thời gian thi công bao nhiêu ngày?

Nghiên cứu chứng minh đất đắp gia cường chỉ mất 132 ngày để đạt độ lún cố kết $25.73\text{ cm}$, tương đương với mức lún mà nền không gia cường phải mất 180 ngày mới đạt được. Điều này giúp rút ngắn chính xác 48 ngày thời gian chờ lún cố kết (tương đương giảm 26.7% tiến độ chờ tải).

5. Vải địa kỹ thuật không dệt sử dụng trong nghiên cứu cần đáp ứng những thông số kỹ thuật nào?

Vải địa kỹ thuật không dệt cần đạt khối lượng riêng $125\text{ g/m}^2$, bề dày $1.5\text{ mm}$, cường độ chịu kéo dọc tối thiểu $9.0\text{ kN/m}$, kích thước lỗ lọc $O_{90} = 0.12\text{ mm}$ và hệ số lưu lượng thấm đạt $170\text{ l/m}^2/\text{giây}$ ở 100 mm cột nước nhằm đảm bảo khả năng tiêu thoát nước và chống xói ngầm hiệu quả.

Kết luận

• Đất bùn sét nạo vét lòng sông hoàn toàn có thể tái sử dụng làm nền đường giao thông nông thôn khi được gia cường bằng đệm cát và vải địa kỹ thuật, đạt độ chặt $K = 0.95$.
• Giải pháp gia cường dạng Sandwich rút ngắn 48 ngày thời gian chờ lún cố kết (từ 180 ngày xuống 132 ngày) nhờ tối ưu hóa đường thấm ngang.
• Độ lún của nền đất tự nhiên dưới khối đắp giảm mạnh 59% (từ $11.27\text{ cm}$ xuống còn $4.62\text{ cm}$), giúp khống chế tổng độ lún toàn phần ở mức $51\text{ cm}$.
• Độ chặt và dung trọng khô của khối đất đắp tăng lần lượt 2.8% và 2.58% sau 6 tháng tự cố kết, tạo điều kiện thuận lợi cho công tác đầm nén cơ giới.
• Hiệu quả tài chính tổng thể giúp tiết kiệm 121.741.000 đồng trên mỗi kilomet đường hoàn thiện, mở ra hướng đi bền vững cho hạ tầng giao thông Đồng bằng sông Cửu Long.

Đóng góp khoa học cốt lõi của luận văn là đã chuẩn hóa thành công mô hình giải tích và thực nghiệm hiện trường tỷ lệ thực về ứng xử cố kết của bùn sét nạo vét gia cường đệm cát - vải địa kỹ thuật. Trong giai đoạn tiếp theo, các đơn vị quản lý cần tiến hành thử nghiệm mở rộng trên các cấp tải trọng xe lu khác nhau và theo dõi biến dạng dài hạn trong 24–36 tháng. Hãy áp dụng ngay giải pháp công nghệ này vào các đồ án quy hoạch giao thông nông thôn ven sông để tối ưu hóa chi phí đầu tư và bảo vệ bền vững tài nguyên đất đai địa phương.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1.1 Giới thiệu tổng quát Với yêu cầu về sự phát triển của cơ sở tầng, ngày càng nhiều công trình giao thông được xây dựng rộng khắp ở đồng bằng sông Cửu Long. Nhằm giảm tối đa chi phí xây dựng công trình đường giao thông nông thôn cấp V, cấp VI, đất khai thác từ lòng kênh, lòng sông thường được sử dụng trực tiếp làm nền đường. Biện pháp này không những tránh làm mất đất canh tác tại địa phương mà còn giúp gia tăng độ sâu lòng sông và đảm bảo cao độ nền đường giao thông chống lại ảnh hưởng mực nước dâng cao do quá trình biến đổi khí hậu toàn cầu. Tuy nhiên, khai thác đất lòng sông gây ra sự tăng lên về độ sâu và độ dốc lòng sông từ đó có thể dẫn đến sự mất ổn định bờ sông (Luo et al., 2007; Đinh et al.

Hơn nữa, với đặc điểm địa chất vùng đồng bằng sông Cửu Long là đất bùn sét thuộc trầm tích Holocen có hệ số rỗng lớn, tính nén lún cao và sức chống cắt thấp có thể gây ra những sự cố nền móng như đất bùn yếu làm công trình bị phá hoại, lún quá mức, lún không đều và lún kéo dài theo thời gian (Đỗ et al. Để tăng khả năng chịu lực cho nền đường yêu cầu áp dụng các biện pháp gia cố đất nền phức tạp, tốn kém và đòi hỏi thời gian thi công dài. Cũng theo TCVN 4054 : 2005, đất bùn không được đề xuất làm đất nền công trình giao thông. Những nguyên nhân kỹ thuật kể trên cản trở việc áp dụng đất bùn yếu trong thi công nền đường nông thôn tại đồng bằng sông Cửu Long.

Trong nghiên cứu này sẽ nghiên cứu về biện pháp đẩy mạnh quá trình cố kết và phương pháp gia cường nền đường bùn, sau đó đưa ra dự đoán về thời gian cố kết của lớp đất sét yếu gia cường vải địa kỹ thuật và lớp đệm cát, dự đoán về sức chịu tải của lớp đất sét sau cố kết được gia cường vải địa kỹ thuật và lớp đệm cát, đánh giá độ chống xâm nhập của lớp sét vào lớp cát khi sử dụng vải địa kỹ thuật. Kết quả thực nghiệm sẽ cho kết quả về phương pháp thi công nền đất nhằm thúc đẩy nhanh quá trình cố kết của đất sét yếu, sau đó sẽ tối ưu thiết kế lớp đệm cát, vải địa kỹ Trang 1 thuật nhằm mục đích tăng khả năng chịu tải, đẩy nhanh quá trình cố kết và hạ giá thành thi công.2 Tổng quan tình hình nghiên cứu và sự cần thiết tiến hành nghiên cứu 1.1 Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước Phương pháp bơm bùn lòng sông làm đất đắp cho công trình đã được áp dụng tại nhiều công trình lấn biển (Shang et al., 1998; Wang et al., 2014; Liu and Liu, 2008; Shen et al. Tuy nhiên đặc điểm loại bùn này hàm lượng nước cao, có độ rỗng lớn, khả năng biến dạng lớn và chịu lực kém. Những nền móng này thường chịu biến dạng và có độ lún rất lớn (Huerta and Rodriguez, 1992; Liu and Zhou, 2005).

Khi nghiên cứu về hệ số thấm và phương pháp tính độ lún cho lớp đất bùn yếu (Zhang et al., 2015) cho thấy hệ số rỗng và hàm lượng đất sét ảnh hưởng lớn đến hệ số thấm của loại đất này. Kết quả cho thấy hệ số rỗng của bùn giảm dần theo thời gian. Đất đắp bằng bùn nạo vét cần thời gian vài năm để có thể ổn định và cần có những xử lý, gia cường nhằm đẩy nhanh quá trình cố kết trong đất bùn loại này. Để xử lý và gia cố lớp bùn yếu dưới nền móng công trình, nhiều nghiên cứu đã cho thấy vải địa kỹ thuật là một giải pháp hữu hiệu.

Palmeira et al., (1998) đã phân tích ngược trường hợp đê trên nền đất yếu được gia cố bằng vải địa kỹ thuật. Nghiên cứu sử dụng phương pháp giải tích để tính toán hệ số an toàn của nền đập được và không được gia cố bằng vải địa kỹ thuật do Jewel, (1996) đề xuất. Nghiên cứu cho thấy đối với hệ số an toàn đối với đê gia cố vải địa kỹ thuật tối thiểu, Fs = 1.2 trong thiết kế thông thường. Zhou et al., 2008 nghiên cứu biện pháp gia cố đệm cát kết hợp với lưới vải địa kỹ thuật Geogrid và túi địa kỹ thuật Geocell.

Kết quả nghiên cứu cho thấy kết cấu liên hợp vải địa kỹ thuật và đệm cát gia tăng khả năng chịu lực cho lớp đất yếu. Hệ kết cấu liên hợp này giúp tăng hệ số nền K0 thêm 30 lần và độ lún giảm 44% và làm giảm ứng suất tại bề mặt lớp đất yếu so với đất yếu khi không được gia cố. Một nghiên cứu khác đề xuất bởi Sitharam et al., 2013 sử dụng Geocell làm nền móng đỡ đập cao 3m trên bùn đỏ - sản phẩm thải ra từ quá trình tuyển quặng nhôm. Nghiên cứu đề xuất phương pháp giải tích nhằm xác định khả năng chịu tải của lớp Trang 2 bùn yếu được gia cường bởi Geocell kết hợp với lưới vải địa kỹ thuật.

Kết quả nghiên cứu cho thấy sự kết hợp này đem lại hiệu quả lớn hơn khi chỉ sử dụng Geocell. Đệm cát kết hợp với vải địa kỹ thuật đã được áp dụng làm nền móng cho đê chắn trên nền đất yếu đề xuất trong nghiên cứu của Yu et al. Nghiên cứu cho thấy đệm cát kết hợp với vải địa kỹ thuật đóng 2 vai trò: (1) vải địa kỹ thuật ngăn cản biến dạng ngang và tăng tính ổn định cho đê; (2) vải địa kỹ thuật ngăn cản dịch chuyển ngang của đất nền dưới đê. Đất nền càng yếu càng gây ra dịch chuyển ngang lớn và càng làm tăng hiệu quả của vải địa kỹ thuật, đặc biệt khi lớp đệm cát nằm dưới hoặc kẹp giữa lớp đất yếu.

Nghiên cứu thể hiện vải địa kỹ thuật có mô đun đàn hồi và độ rộng càng lớn càng đem lại hiệu quả cao trong ổn định nền đê. Geocell và đệm cát còn được kết hợp với cọc vật liệu rời (đá - sỏi) để gia cố nền đất yếu như được trình bày trong nghiên cứu của Dash et al. Nghiên cứu cho thấy cọc vật liệu rời có chiều dài và mật độ đảm bảo sẽ làm tăng gấp 3 lần khả năng chịu lực cho đất yếu. Vải địakỹ thuật và đệm cát sẽ có thể làm tăng khả năng chịu lực của đất nền lên 7 lần.

Tuy nhiên nếu được kết hợp cả đệm cát, vải địa kỹ thuật Geocell và cọc vật liệu rời, khả năng chịu lực của đất nền có thể gấp 10 lần so với đất nền ban đầu chưa gia cố. Hufenus et al., (2006) nghiên cứu khả năng chịu tải và ứng xử của đất yếu gia cường vải địa kỹ thuật dựa theo thí nghiệm tỷ lệ thực của nền đường. Nghiên cứu chỉ ra sự gia cường cho đất yếu chỉ xảy ra khi sử dụng lớp mỏng cốt liệu thô kẹp giữa vải địa kỹ thuật. Trong trường này, khi vệt lún tạo ra trên nền đường sẽ gây ra biến dạng dài và lực lực kéo trong vải địa kỹ thuật và tạo ra hiệu ứng gia cường cho đất nền.

Các nghiên cứu về kết cấu đất gia cường vải địa kỹ thuật cho thấy việc sử dụng đất sét có tính thấm kém làm đất đắp đòi hỏi áp dụng những công nghệ xây dựng và hệ thống thoát nước phù hợp (Sridharan et al. 1991; Glendinning et al. 2005; Chen and Yu 2011; Taechakumthorn and Rowe 2012; Yang et al. Nghiên cứu của Zornberg and Mitchell (1994) đã khẳng định vai trò thoát nước của vải địa kỹ thuật Trang 3 trong tăng cường sức chịu tải và sự ổn định của công trình đất đắp từ đất sét tính thấm kém.

Lớp cát mỏng kẹp giữa lớp vải địa chất gia cường đất sét và ảnh hưởng của nó đến ứng xử chịu cắt và biến dạng của mẫu đất đã được nghiên cứu và khảo sát sử dụng thí nghiệm cắt đất trực tiếp (Abdi et al. 2009), thí nghiệm kéo tuột vải địa kỹ thuật (Sridharan et al. 1991; Abdi & Arjomand 2011; Abdi & Zandieh 2014) và thí nghiệm nén 3 trục (Unnikrishnan et al. Kết quả nghiên cứu cho thấy lớp cát mỏng này cải thiện tương tác bề mặt (lực ma sát) giữa đất sét và vải địa kỹ thuật từ đó gia tăng cường độ cho đất sét.

Lớp cát cũng đóng vai trò là biên thoát nước nhằm làm giảm áp lực nước lỗ rỗng xuất hiện trong quá trình tải trọng tác dụng lên mẫu. Các nghiên cứu của Unnikrishnan et al. (2002); Abdi et al. (2009); Abdi & Arjomand (2011); Abdi & Zandieh (2014) cũng đã chỉ ra bề dày tối ưu của lớp cát này khoảng từ 8-15mm đối với thí nghiệm không cố kết, không thoát nước (UU) và thí nghiệm cắt đất trực tiếp và thậm chí đến 8cm đối với thí nghiệm kéo tuột vải địa kỹ thuật.

Ngoài ra với vai trò là biên thoát nước, các nghiên cứu của Raisinghani & Viswanadham (2010) và Lin & Yang (2014) đã cho thấy vải địa kỹ thuật còn là đóng vai trò ngăn chặn sự xâm nhập của đất sét vào biên thấm này. Bên cạnh đó, một số công trình nghiên cứu trong nước về công trình trên nền đất yếu. Pierre Lareal và cộng sự, 1989 đã đưa ra những tính toán ổn định và biến dạng nền đường và công trình đắp tương tự trên đất yếu. Bên cạnh đó nghiên cứu đưa ra một số giải pháp xử lý khi xây dựng nền đường đắp trên đất yếu bao gồm phương pháp gia tải, tăng tốc độ cố kết bằng đường thấm đứng, rãnh thấm, phương pháp gia cố bằng cọc vôi, cọc xi măng đất… Lê Bá Vinh và cộng sự, (2003) nghiên cứu giải pháp xử lý nền và tính toán ổn định của công trình đường cấp III trên nền có lớp đất yếu mỏng.

Nghiên cứu tập trung các biện pháp xử lý nền đất yếu bằng đệm cát kết hợp vải địa kỹ thuật và cừ tràm. Nghiên cứu đề xuất phương pháp tính toán hệ số an toàn chống trượt đối với nền tự nhiên và xét ảnh hưởng của vải địa kỹ thuật gia cố tăng ổn định của nền đất yếu dưới nền đường. Trang 4 Lê Xuân Roanh, (2014) đề xuất công nghệ xử lý nền và thi công đê, đập chắn sóng trên nền đất yếu.