Tổng quan nghiên cứu
Trong những năm gần đây, việc xử lý nền đất yếu bằng phương pháp cọc đất - xi măng đã được ứng dụng rộng rãi trên thế giới và tại Việt Nam, đặc biệt ở khu vực Đồng Bằng Sông Cửu Long (ĐBSCL). Theo báo cáo của ngành, tại Nga đã xây dựng hơn 13.000 km nền đường gia cố bằng đất xi măng, vôi và các chất khác tính đến năm 1976. Ở Việt Nam, các công trình gia cố nền đất yếu bằng cọc đất - xi măng đã được triển khai tại nhiều địa phương như Hà Nội, Hải Phòng, Cần Thơ, với tỷ lệ xi măng sử dụng từ 7% đến 15% trọng lượng đất gia cố. Tuy nhiên, hiệu quả cường độ chịu nén ngoài hiện trường thường không ổn định như trong phòng thí nghiệm, do nhiều yếu tố như thành phần hạt đất, hàm lượng hữu cơ và kỹ thuật thi công.
Luận văn thạc sĩ này tập trung nghiên cứu cấp phối đất - xi măng - cát nhằm cải thiện cường độ nền đất yếu tại khu vực Trường Đại học Tây Đô, thành phố Cần Thơ. Mục tiêu chính là điều chỉnh lại thành phần hạt của đất yếu bằng cách thêm một lượng cát vừa phải vào hỗn hợp đất - xi măng, từ đó nâng cao khả năng chịu nén đơn trục của nền đất. Phạm vi nghiên cứu bao gồm khảo sát đặc tính cơ lý đất bùn sét tại khu vực Tây Đô, thực hiện thí nghiệm phối trộn và đánh giá cường độ chịu lực của các mẫu đất gia cố trong phòng thí nghiệm. Kết quả nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc lựa chọn giải pháp xử lý nền đất yếu hiệu quả, tiết kiệm chi phí và phù hợp với điều kiện địa chất đặc thù của vùng ĐBSCL.
Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu
Khung lý thuyết áp dụng
Nghiên cứu dựa trên các lý thuyết và mô hình sau:
Lý thuyết gia cố đất bằng xi măng: Quá trình hydrat hóa và thủy phân xi măng trong môi trường đất tạo ra các sản phẩm hydrosilicat canxi (CSH) và hydroxit canxi (Ca(OH)₂), làm tăng độ cứng chắc và khả năng chịu tải của đất. Quá trình này diễn ra chậm hơn so với bê tông do lượng xi măng thấp và môi trường đất bao quanh.
Mô hình cấp phối hạt đất-xi măng-cát: Thành phần hạt ảnh hưởng trực tiếp đến cường độ và tính ổn định của hỗn hợp. Việc thêm cát giúp cải thiện hệ số cấp phối, giảm độ rỗng, tăng dung trọng và góc ma sát trong, từ đó nâng cao cường độ chịu nén.
Khái niệm cường độ chịu nén đơn trục (qu): Là chỉ tiêu quan trọng đánh giá khả năng chịu lực của nền đất gia cố, được xác định qua thí nghiệm nén đơn trục mẫu đất trong phòng thí nghiệm.
Chỉ số dẻo (Id) và hàm lượng hữu cơ: Hàm lượng hữu cơ cao làm giảm hiệu quả gia cố xi măng do làm chậm quá trình hydrat hóa và tăng tính dẻo của đất.
Phương pháp trộn sâu (Deep Mixing Method - DMM): Kỹ thuật thi công trộn xi măng với đất tại chỗ bằng máy móc chuyên dụng, đảm bảo sự đồng nhất và hiệu quả gia cố.
Phương pháp nghiên cứu
Nguồn dữ liệu: Thu thập số liệu từ các công trình thực tế tại khu vực ĐBSCL, đặc biệt là Trường Đại học Tây Đô và các dự án thủy lợi, cảng biển. Dữ liệu thí nghiệm lấy từ mẫu đất bùn sét tự nhiên tại khu vực nghiên cứu.
Phương pháp chọn mẫu: Lấy mẫu đất bùn sét hữu cơ ở độ sâu từ 1-1,5m, với độ dày lớp đất yếu từ 9-20m, đại diện cho đặc điểm địa chất vùng Tây Đô.
Phương pháp phân tích: Thực hiện thí nghiệm phối trộn đất - xi măng với tỷ lệ xi măng 5% trọng lượng đất, thêm cát với tỷ lệ tăng dần 5% theo thể tích đất. Các mẫu được dưỡng hộ trong phòng thí nghiệm ở các độ tuổi 10, 18 và 28 ngày. Thí nghiệm nén đơn trục được tiến hành để xác định cường độ chịu nén đơn trục và các chỉ tiêu cơ lý khác như lực dính, góc ma sát trong, mô đun biến dạng.
Timeline nghiên cứu: Quá trình thu thập mẫu, thí nghiệm và phân tích kéo dài trong khoảng 6 tháng, đảm bảo đủ thời gian dưỡng hộ mẫu và đánh giá các chỉ tiêu theo từng giai đoạn tuổi mẫu.
Kết quả nghiên cứu và thảo luận
Những phát hiện chính
Ảnh hưởng của cát đến cường độ chịu nén đơn trục: Mẫu đất gia cố xi măng có thêm cát với hàm lượng trên 7% thể tích đất cho thấy cường độ chịu nén đơn trục tăng đáng kể so với mẫu chỉ gia cố bằng xi măng. Ví dụ, mẫu thí nghiệm tại cảng Cái Cui với hàm lượng xi măng 250 kg/m³ và cát trên 7% đạt cường độ qu = 1239,56 kPa, cao hơn nhiều so với mẫu không có cát.
Tỷ lệ xi măng và thời gian dưỡng hộ: Cường độ của hỗn hợp đất - xi măng tăng theo tỷ lệ xi măng trộn vào (7-15%) và thời gian dưỡng hộ (từ 7 đến 90 ngày). Sau 28 ngày, cường độ đạt khoảng 70-80% giá trị cuối cùng, tiếp tục tăng nhẹ đến 90 ngày.
Ảnh hưởng của hàm lượng hữu cơ: Đất có hàm lượng hữu cơ thấp (khoảng 1,3%) cho cường độ gia cố cao hơn nhiều so với đất có hàm lượng hữu cơ cao (trên 10%). Hàm lượng hữu cơ cao làm giảm hiệu quả hydrat hóa xi măng, làm giảm cường độ chịu nén.
Đặc tính cơ lý cải thiện: Hỗn hợp đất - xi măng - cát có lực dính c tăng từ 0,2q đến 0,3q, góc ma sát trong φ tăng từ 20° đến 30°, mô đun biến dạng E50 đạt 120-150q, trong đó q là ứng suất phá hoại. Dung trọng hỗn hợp tăng từ 0,7% đến 2,3% so với đất tự nhiên, độ rỗng giảm, chỉ số chảy dẻo giảm, góp phần nâng cao tính ổn định nền đất.
Thảo luận kết quả
Nguyên nhân chính của sự cải thiện cường độ nền đất yếu khi thêm cát là do sự điều chỉnh lại thành phần hạt, làm tăng hệ số cấp phối, giảm độ rỗng và tăng khả năng liên kết giữa các hạt đất và xi măng. So với các nghiên cứu trước đây, kết quả này phù hợp với báo cáo của các công trình tại Đồng Bằng Sông Cửu Long và các nghiên cứu quốc tế về gia cố đất bằng xi măng và cát.
Biểu đồ quan hệ giữa hàm lượng xi măng, cát và cường độ chịu nén đơn trục thể hiện rõ xu hướng tăng cường độ theo tỷ lệ phối trộn, đồng thời cho thấy sự ảnh hưởng tiêu cực của hàm lượng hữu cơ cao. Bảng so sánh các chỉ tiêu cơ lý trước và sau gia cố minh chứng hiệu quả của phương pháp phối trộn đất - xi măng - cát.
Kết quả nghiên cứu có ý nghĩa thực tiễn lớn, giúp lựa chọn giải pháp gia cố nền đất yếu phù hợp với điều kiện địa chất đặc thù của khu vực Tây Đô và ĐBSCL, đồng thời giảm thiểu chi phí và rủi ro trong thi công.
Đề xuất và khuyến nghị
Áp dụng phối trộn đất - xi măng - cát với tỷ lệ xi măng từ 7-15% và cát trên 7% thể tích đất nhằm tối ưu hóa cường độ nền đất yếu, đặc biệt tại khu vực Tây Đô và các vùng có đặc điểm địa chất tương tự. Thời gian thực hiện: ngay trong giai đoạn thiết kế và thi công nền móng.
Tăng cường công tác khảo sát địa chất và lấy mẫu đất đại diện để xác định chính xác thành phần hạt, hàm lượng hữu cơ và các chỉ tiêu cơ lý, từ đó điều chỉnh tỷ lệ phối trộn phù hợp cho từng công trình. Chủ thể thực hiện: các đơn vị tư vấn thiết kế và thi công.
Sử dụng thiết bị trộn sâu hiện đại, đảm bảo sự đồng nhất của hỗn hợp đất - xi măng - cát nhằm nâng cao hiệu quả gia cố và giảm thiểu các sự cố như trương nở nền, rạn nứt đất lân cận. Thời gian: trong quá trình thi công.
Theo dõi và kiểm tra chất lượng mẫu gia cố trong phòng thí nghiệm và hiện trường ở các độ tuổi 7, 28 và 90 ngày để đảm bảo cường độ đạt yêu cầu thiết kế. Chủ thể: phòng thí nghiệm và đơn vị giám sát thi công.
Nghiên cứu mở rộng ứng dụng hỗn hợp đất - xi măng - cát trong xử lý chống thấm nền bờ bao, cải tạo hiện tượng lún nền đường và xử lý nền đất ô nhiễm tại các vùng ven biển và đồng bằng sông Cửu Long. Thời gian: nghiên cứu tiếp theo trong 1-2 năm.
Đối tượng nên tham khảo luận văn
Kỹ sư xây dựng và tư vấn thiết kế công trình nền móng: Nắm bắt kiến thức về phối trộn đất - xi măng - cát để lựa chọn giải pháp gia cố nền đất yếu phù hợp, nâng cao hiệu quả và tiết kiệm chi phí.
Các nhà nghiên cứu và sinh viên ngành kỹ thuật xây dựng, địa kỹ thuật: Tham khảo phương pháp nghiên cứu, kết quả thí nghiệm và cơ sở lý thuyết về gia cố đất bằng xi măng và cát, phục vụ cho các đề tài nghiên cứu tiếp theo.
Chủ đầu tư và quản lý dự án xây dựng tại khu vực Đồng Bằng Sông Cửu Long: Hiểu rõ đặc điểm địa chất và giải pháp xử lý nền đất yếu, từ đó đưa ra quyết định đầu tư hợp lý, giảm thiểu rủi ro công trình.
Các đơn vị thi công và giám sát công trình: Áp dụng kỹ thuật trộn sâu và kiểm soát chất lượng gia cố nền đất, đảm bảo tiến độ và chất lượng công trình theo tiêu chuẩn kỹ thuật.
Câu hỏi thường gặp
Tại sao cần thêm cát vào hỗn hợp đất - xi măng khi gia cố nền đất yếu?
Thêm cát giúp cải thiện hệ số cấp phối hạt, giảm độ rỗng, tăng dung trọng và góc ma sát trong, từ đó nâng cao cường độ chịu nén đơn trục của nền đất. Ví dụ, mẫu đất có thêm cát trên 7% thể tích đất cho cường độ tăng hơn 30% so với mẫu chỉ có xi măng.Tỷ lệ xi măng và cát phối trộn như thế nào là tối ưu?
Tỷ lệ xi măng từ 7% đến 15% trọng lượng đất và cát trên 7% thể tích đất được xác định là phù hợp qua thí nghiệm. Tỷ lệ này đảm bảo cường độ gia cố đạt yêu cầu mà không gây lãng phí vật liệu.Ảnh hưởng của hàm lượng hữu cơ trong đất đến hiệu quả gia cố ra sao?
Hàm lượng hữu cơ cao làm chậm quá trình hydrat hóa xi măng, giảm cường độ chịu nén của hỗn hợp. Đất có hàm lượng hữu cơ thấp (khoảng 1,3%) cho hiệu quả gia cố tốt hơn nhiều so với đất có hàm lượng hữu cơ trên 10%.Thời gian dưỡng hộ mẫu ảnh hưởng thế nào đến cường độ gia cố?
Cường độ gia cố tăng theo thời gian dưỡng hộ, đạt khoảng 70-80% sau 28 ngày và tiếp tục tăng nhẹ đến 90 ngày. Do đó, kiểm tra cường độ ở các mốc 7, 28 và 90 ngày là cần thiết để đánh giá chất lượng gia cố.Phương pháp trộn sâu có ưu điểm gì trong gia cố nền đất yếu?
Phương pháp trộn sâu giúp trộn đồng nhất xi măng với đất tại chỗ, giảm thiểu hiện tượng phân tầng, tăng hiệu quả gia cố, thi công nhanh và không gây ô nhiễm môi trường. Đây là kỹ thuật phù hợp với các loại đất sét dẻo bão hòa và bùn nhão.
Kết luận
- Nghiên cứu đã chứng minh việc thêm cát vào hỗn hợp đất - xi măng giúp cải thiện đáng kể cường độ chịu nén đơn trục của nền đất yếu tại khu vực Trường Đại học Tây Đô.
- Tỷ lệ phối trộn tối ưu là xi măng 7-15% trọng lượng đất và cát trên 7% thể tích đất, phù hợp với đặc điểm địa chất vùng Đồng Bằng Sông Cửu Long.
- Hàm lượng hữu cơ trong đất ảnh hưởng tiêu cực đến hiệu quả gia cố, cần được khảo sát kỹ trước khi thi công.
- Phương pháp trộn sâu và kiểm soát chất lượng mẫu trong phòng thí nghiệm và hiện trường là yếu tố then chốt đảm bảo thành công của giải pháp gia cố.
- Đề xuất mở rộng nghiên cứu ứng dụng hỗn hợp đất - xi măng - cát trong các công trình chống thấm, cải tạo nền đường và xử lý nền đất ô nhiễm trong 1-2 năm tới.
Hành động tiếp theo: Các đơn vị thiết kế và thi công nên áp dụng kết quả nghiên cứu để nâng cao hiệu quả xử lý nền đất yếu, đồng thời tiếp tục nghiên cứu mở rộng ứng dụng tại các vùng địa chất tương tự.