Tổng quan luận án

Tính cấp thiết và khoảng trống nghiên cứu

Vùng ven biển từ Quảng Ninh đến Kiên Giang giữ vị trí chiến lược trong quy hoạch phát triển kinh tế biển và an ninh quốc phòng của Việt Nam. Tuyến đường bộ ven biển với tổng chiều dài 3.041 km được phân kỳ đầu tư thành nhiều đoạn tuyến. Trong đó, đoạn tuyến từ Hải Phòng đến Nam Định có tổng chiều dài 64,1 km, bao gồm hai phân đoạn:

  • Phân đoạn Hải Phòng – Thái Bình: Chiều dài 29,7 km (20,7 km thuộc địa phận thành phố Hải Phòng, điểm đầu tại phường Minh Đức, quận Đồ Sơn; 9,0 km thuộc địa phận tỉnh Thái Bình, điểm cuối tại Km29+700 thuộc xã Thụy Liên, huyện Thái Thụy).
  • Phân đoạn Thái Bình – Nam Định: Chiều dài 34,4 km, điểm cuối tại Km64+100 kết nối với tuyến đường ven biển Nam Định – Ninh Bình.

Tuyến đường được thiết kế theo tiêu chuẩn đường cấp III đồng bằng, tốc độ thiết kế 80 km/h, kết cấu mặt đường cấp cao A1 và dự kiến xây dựng 8 cầu vượt sông.

Về điều kiện địa chất công trình, dải ven biển Bắc Bộ có cấu trúc trầm tích Đệ Tứ rất phức tạp, phân bố nhiều tầng đất yếu dày thuộc hệ tầng Hải Hưng ($Q_2^{1-2}hh$) và hệ tầng Thái Bình ($Q_2^3tb$). Các lớp bùn sét, sét pha trạng thái chảy đến dẻo chảy có sức chịu tải thấp, tính nén lún lớn, gây nguy cơ mất ổn định và lún kéo dài cho nền đắp.

Các giải pháp xử lý nền đất yếu truyền thống bộc lộ nhiều điểm hạn chế khi áp dụng cho công trình tuyến dài ven biển:

  • Bấc thấm kết hợp gia tải trước: Dễ bị xáo trộn cấu trúc đất xung quanh bấc, nguy cơ gập/đứt bấc khi lún lớn làm gián đoạn dòng thấm, khó kiểm soát lún dư sau khi đưa vào khai thác.
  • Cọc cát đầm chặt, giếng cát: Đòi hỏi nguồn cát sông hạt vừa đến hạt thô đạt tiêu chuẩn kỹ thuật. Nguồn tài nguyên này đang cạn kiệt, việc khai thác bị hạn chế nghiêm ngặt theo Nghị định số 23/2020/NĐ-CP của Chính phủ nhằm bảo vệ lòng, bờ, bãi sông và môi trường sinh thái.
  • Cọc đất – xi măng (trộn sâu): Chi phí đầu tư thiết bị và thi công cao, quy trình kiểm soát chất lượng tại hiện trường phức tạp.
  • Hút chân không: Khó áp dụng hiệu quả cho công trình dạng tuyến kéo dài với bề rộng mặt bằng hẹp.

Khoảng trống nghiên cứu thực tiễn đặt ra yêu cầu: Cần nghiên cứu phân loại chi tiết cấu trúc nền đất yếu dọc tuyến, đồng thời phát triển giải pháp cọc cát biển kết hợp xi măng (sử dụng cát biển địa phương) nhằm thay thế cát sông, tối ưu hóa chi phí và giảm thiểu tác động môi trường.

Mục tiêu nghiên cứu

  1. Làm sáng tỏ đặc điểm và phân chia các kiểu cấu trúc nền đất yếu dọc tuyến đường bộ ven biển Hải Phòng – Nam Định.
  2. Đề xuất phương pháp xử lý nền đất yếu bằng cọc cát biển – xi măng phù hợp với điều kiện cấu trúc nền khu vực nghiên cứu, xác lập cơ sở lý thuyết, cơ sở thực nghiệm và quy trình tính toán, thiết kế, thi công cọc.
  3. Đánh giá hiệu quả làm việc của cọc cát biển – xi măng trong việc giảm lún, giảm chuyển vị ngang và phân bố ứng suất thông qua phân tích mô hình số 3D mô phỏng tương tác hệ nền – cọc – nền đường đắp.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

  • Đối tượng nghiên cứu: Đặc điểm cấu trúc nền đất yếu và giải pháp xử lý nền bằng cọc cát biển – xi măng.
  • Phạm vi không gian: Dọc hành lang tuyến đường giao thông ven biển đoạn từ Hải Phòng đến Nam Định; chiều sâu nghiên cứu từ bề mặt địa hình đến hết chiều dày tầng đất yếu (khoảng 30 m đến 40 m).
  • Phạm vi vật liệu và kỹ thuật: Nguồn cát biển lấy tại khu vực Hải Phòng; chất kết dính là xi măng Pooc lăng hỗn hợp PCB40 Nghi Sơn; thiết bị thi công nghiên cứu cải tiến từ máy khoan guồng xoắn UGB-50M.

Tổng quan tài liệu và vị trí của luận án

Các hướng nghiên cứu trong và ngoài nước

  1. Quan niệm và phân loại đất yếu:

    • Quốc tế: Tiêu chuẩn Anh BS 5930 (1981, 1999) phân chia đất yếu theo sức kháng cắt không thoát nước ($S_u < 40\text{ kPa}$), cường độ nén một trục ($q_u < 50\text{ kPa}$), chỉ số SPT ($N_{30} < 4$) hoặc đất chứa hàm lượng hữu cơ. Tiêu chuẩn Mỹ ASTM D 2487-2010 phân loại đất hữu cơ và than bùn dựa trên mức suy giảm giới hạn chảy sau sấy khô. Tiêu chuẩn Nga phân chia theo thành hệ địa chất và nguyên tắc địa chất công trình. Skempton (1953) đề xuất chỉ số hoạt hóa $AI$; Omar và Jaafar (2000) nghiên cứu đất yếu Cyberjaya (Malaysia) chỉ ra tính nén lún ($C_c$, $C_r$, $C_v$) tăng theo chiều sâu do giảm hàm lượng cát và tăng độ ẩm. Ye và cộng sự (2015), Uddin (2018), Zeng và cộng sự (2011) phân tích thành phần khoáng vật (kaolinit, illit, monmorilonit, clorit) trong đất yếu ven biển bằng nhiễu xạ tia X (XRD).
    • Việt Nam: Các tiêu chuẩn TCXDVN 5747:1993, TCVN 9355:2012, 22TCN 262-2000, TCVN 8217:2009, TCVN 9362:2012 phân loại đất yếu dựa trên độ sệt ($I_L > 1$), hệ số rỗng ($e \ge 1,0 - 1,5$), sức kháng cắt ($c < 15\text{ kPa}$, $\varphi = 0^\circ - 10^\circ$, $S_u \le 35\text{ kPa}$), sức kháng xuyên tĩnh ($q_c < 100\text{ kPa}$) và hàm lượng hữu cơ $q$.

  2. Nghiên cứu cấu trúc nền đất yếu:

    • Nguyễn Thanh (1984), Lê Trọng Thắng (1998), Phạm Văn Tỵ và cộng sự (1999), Nguyễn Huy Phương và cộng sự (2004) xác lập khái niệm cấu trúc nền là mối quan hệ sắp xếp không gian của các lớp đất đá trong đới tương tác công trình.
    • Tạ Đức Thịnh (1990) ứng dụng mô hình toán học nghiên cứu quy luật biến đổi không gian chỉ tiêu cơ lý đất yếu hệ tầng Hải Hưng.
    • Nguyễn Thị Nụ (2014) phân chia cấu trúc nền đất sét yếu $amQ_2^{2-3}$ ven biển Đồng bằng sông Cửu Long.
    • Nguyễn Văn Phóng và cộng sự (2016) phân chia cấu trúc nền đất yếu ven biển Bắc Bộ thành 4 kiểu (I, II, III, IV) và 4 dạng (a, b, c, d) dựa trên chiều dày tầng đất yếu ($>20\text{ m}$, $10-20\text{ m}$, $5-10\text{ m}$, $<5\text{ m}$).

  3. Nghiên cứu gia cố và xử lý nền:

    • Gia cố nông: Trộn xi măng, vôi và phụ gia cải tạo đất nghiên cứu bởi Hồ Chất (1985), Đỗ Minh Toàn (1993, 2011), Phạm Minh Tuấn (2001), Lê Thị Phòng (2006), Nguyễn Thị Thắm (2008), Trịnh Thị Huế (2009), Nguyễn Thị Thu Quỳnh (2010), Viện Thủy Công (2013).
    • Gia cố sâu: Công nghệ trộn sâu Deep Soil Mixing (Chida, 1982; Kitazume, 2000; Horpibulsuk, 2012). Tại Việt Nam, Viện Khoa học Công nghệ Xây dựng (1980), Nguyễn Trấp (1993), Viện Khoa học Thủy lợi (2002) ứng dụng Jet-grouting. Đặc biệt, Tạ Đức Thịnh (2002) nghiên cứu cọc cát – xi măng – vôi sử dụng cát sông hạt thô và máy khoan UGB-50M.

Vị trí và khoảng trống luận án lựa chọn giải quyết

Luận án kế thừa cách tiếp cận địa kỹ thuật công trình, đồng thời mở rộng mối quan hệ tương tác giữa các đơn nguyên cấu trúc nền đất yếu với đặc điểm tải trọng công trình đường bộ ven biển. Luận án giải quyết triệt để vấn đề khan hiếm cát sông bằng cách thay thế toàn bộ bằng cát biển địa phương làm vật liệu chế tạo cọc gia cố, xây dựng hoàn chỉnh chuỗi cơ sở: từ tính chất vật liệu cát biển – xi măng, mô hình vật lý thu nhỏ, phương pháp tính toán sức chịu tải - độ lún đến mô hình hóa số phân tích ứng xử 3D của hệ nền đường.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Cơ sở lý thuyết

  • Lý thuyết địa chất công trình và cơ học đất: Lý thuyết biến đổi tính chất địa chất công trình của đất đá; lý thuyết cố kết thấm một chiều của Terzaghi; lý thuyết biến dạng đàn hồi - dẻo; lý thuyết sức chịu tải của nền móng và ma sát bên của cọc vật liệu hỗn hợp.
  • Khái niệm cấu trúc nền đất yếu theo quan điểm mở rộng: Hệ thống sắp xếp trong không gian của các lớp đất nền được xác lập theo quan điểm địa chất công trình, phản ánh các trường vật chất đặc trưng bởi tuổi, nguồn gốc, chiều dày, thành phần, trạng thái và chi phối các quá trình cơ lý diễn ra khi tương tác với tải trọng nền đường đắp và hoạt tải xe chạy.

Phương pháp nghiên cứu

Nhóm phương pháp Nội dung triển khai thực tế Nguồn dữ liệu / Thiết bị
Tổng hợp & Phân tích hệ thống Thu thập, xử lý và hệ thống hóa báo cáo khảo sát địa kỹ thuật, địa chất thủy văn, điều kiện tự nhiên dải ven biển. Dữ liệu từ HECO – TEDI, Tổng cục Địa chất và Khoáng sản, BQL Dự án Giao thông Nam Định.
Thực nghiệm trong phòng Xác định thành phần hạt, chỉ tiêu cơ lý và thành phần hóa học của cát biển Hải Phòng; đúc mẫu cát biển – xi măng ($40\times 40\times 160\text{ mm}$) để nén xác định $q_u$ và mô đun biến dạng $E_{50}$. Tiêu chuẩn thử nghiệm cơ lý cát, xi măng PCB40 Nghi Sơn, thiết bị nén một trục nở hông tự do.
Mô hình vật lý thu nhỏ Thí nghiệm gia tải xác định quan hệ tải trọng - độ lún của cọc đơn (SP) và nhóm cọc (PG) cát biển – xi măng đặt trong môi trường đất sét yếu. Thùng mô hình vật lý, hệ thống kích gia tải, đồng hồ đo biến dạng lún.
Mô hình hóa số Xây dựng mô hình không gian 3D mô phỏng sự làm việc đồng thời của hệ móng cọc cát biển – xi măng, nền đất yếu nhiều lớp và khối đắp nền đường chịu tải trọng bản thân cùng tải trọng ngoài ($p = 10, 15, 20\text{ kPa}$). Mô hình phần tử hữu hạn 3D đàn - dẻo (mô hình Mohr-Coulomb và Soft Soil).
Quy trình công nghệ Nghiên cứu cải tiến lưỡi khoan guồng xoắn trên nền tảng máy khoan tự hành UGB-50M để phục vụ thi công tạo lỗ và phối trộn cọc cát biển – xi măng. Máy khoan guồng xoắn UGB-50M cải tiến.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Tổng quan nghiên cứu về cấu trúc nền đất yếu và phương pháp xử lý nền đất yếu

Chương 1 hệ thống hóa cơ sở lý luận về đất yếu và cấu trúc nền đất yếu, phân tích bức tranh tổng thể các giải pháp gia cố nền trên thế giới và tại Việt Nam:

  • Đặc trưng đất yếu: Đất yếu có độ ẩm tự nhiên cao ($W = 60% - 90%$, than bùn có thể đạt hàng trăm %), hệ số rỗng lớn ($e \ge 1,0 - 3,0$), dung trọng khô nhỏ ($\gamma_c = 0,9 - 1,3\text{ g/cm}^3$), cường độ kháng cắt thấp ($c = 2 - 10\text{ kPa}$, $\varphi = 0^\circ - 7^\circ$), hệ số nén lún lớn ($a = 5 - 30\text{ kPa}^{-1}$) và mô đun tổng biến dạng thấp ($E_0 < 3000\text{ kPa}$).
  • Tổng kết các nhóm giải pháp xử lý nền: Phân chia thành 10 nhóm giải pháp chính từ thay đất, đầm chặt, cố kết thấm gia tải trước, thoát nước thẳng đứng, phụt vữa đến cọc gia cố chất kết dính (trộn khô DJM, trộn ướt CDM, Jet-grouting).
  • Phân tích khoảng trống: Việc ứng dụng cọc vôi – cát – xi măng truyền thống (Tạ Đức Thịnh, 2002) bị hạn chế do thiếu hụt cát sông và khó bảo quản vôi bột. Do đó, việc chuyển hướng sang dùng cát biển kết hợp xi măng Pooc lăng là giải pháp đáp ứng điều kiện tự nhiên và kinh tế - kỹ thuật tại khu vực ven biển Hải Phòng – Nam Định.

Chương 2: Đặc điểm cấu trúc nền đất yếu tuyến đường giao thông ven biển từ Hải Phòng đến Nam Định

Chương này đánh giá chi tiết điều kiện tự nhiên và địa tầng Đệ Tứ của dải ven biển, làm cơ sở phân chia các kiểu cấu trúc nền đất yếu dọc 64,1 km tuyến đường:

Địa tầng Đệ Tứ vùng nghiên cứu (từ dưới lên trên):
  • Điều kiện tự nhiên và khí hậu: Vùng nghiên cứu mang tính chất nhiệt đới gió mùa. Lượng mưa trung bình năm đạt 1077 mm, tập trung chủ yếu vào tháng 8 và 9 (lượng mưa tháng từ 819,2 mm đến 1660,0 mm), độ ẩm không khí trung bình dao động 75% – 90%. Địa hình bao gồm đồng bằng duyên hải (cao độ tuyệt đối 0,8 – 3,0 m) và các dải bãi triều, cồn cát cửa sông (cao độ 1,0 – 2,0 m).
  • Phân tầng trầm tích Đệ Tứ:
    • Hệ tầng Lệ Chi ($Q_1^{lc}$): Chiều sâu $>47\text{ m}$, dày 5 – 7 m, sét bột chứa kết vón laterit.
    • Hệ tầng Hà Nội ($Q_1^{2-3}hn$): Sâu 15 – 90 m, dày 7 – 40 m, gồm trầm tích sông ($a$) cát thạch anh và sông – biển ($am$) bột sét lẫn cuội sỏi.
    • Hệ tầng Vĩnh Phúc ($Q_1^3vp$): Sâu 0 – 86,5 m, dày trung bình 9,5 – 14,1 m. Phần trên bị phong hóa tạo màu loang lổ và lớp laterit dày tới 1 m, có cường độ chịu lực tốt, đóng vai trò là tầng chịu lực tựa mũi cọc.
    • Hệ tầng Hải Hưng ($Q_2^{1-2}hh$): Tầng đất yếu chủ yếu. Tập dưới ($hh_1$) gồm sét sông – biển ($am$) và biển – đầm lầy ($mb$) chứa mùn hữu cơ. Tập trên ($hh_2$) là sét biển ($m$) trạng thái dẻo mềm đến chảy.
    • Hệ tầng Thái Bình ($Q_2^3tb$): Phân bố trên cùng, gồm sét pha, cát pha bồi tích hiện đại.
  • Phân chia các dạng cấu trúc nền đất yếu dọc tuyến: Phân chia thành các kiểu chính theo chiều dày và vị trí tương đối của lớp đất yếu:
    • Dạng Ia (Km1+250 – Km1+760) & Dạng IIa (Km9+390): Tầng đất yếu dày lớn ($>20\text{ m}$).
    • Dạng Ib (Km16+400 – Km16+698) & Dạng IIb (Km8+461): Tầng đất yếu dày trung bình ($10 - 20\text{ m}$).
    • Dạng Ic (Km20+326 – Km20+406) & Dạng IIc (Km31+255 – Km31+645): Tầng đất yếu dày mỏng ($5 - 10\text{ m}$).

Chương 3: Nghiên cứu đề xuất phương pháp xử lý nền đất yếu bằng cọc cát biển – xi măng

Chương 3 trình bày các kết quả thí nghiệm trong phòng, thí nghiệm mô hình vật lý và xây dựng quy trình thiết kế, thi công:

  • Đặc tính vật liệu cát biển Hải Phòng và cấp phối:
    • Cát biển Hải Phòng có thành phần thạch học giàu hạt mịn, mô đun độ lớn nhỏ, thành phần chủ yếu là thạch anh kết hợp tạp chất khoáng vô cơ ven biển.
    • Kết quả nén mẫu đúc xác lập mối quan hệ giữa hàm lượng xi măng PCB40 với cường độ chịu nén một trục $q_u$ và mô đun biến dạng $E_{50}$ ở các ngày tuổi (7, 14, 28, 56 ngày). Cường độ kháng nén tăng theo tỷ lệ thuận với hàm lượng xi măng và thời gian bảo dưỡng.
Chỉ tiêu nghiên cứu Phương pháp / Thông số thực nghiệm
Vật liệu hạt rời Cát biển lấy tại khu vực ven bờ Hải Phòng, đã phân tích thành phần hạt và thành phần hóa học
Chất kết dính Xi măng Pooc lăng hỗn hợp PCB40 Nghi Sơn
Kích thước mẫu đúc $40\text{ mm} \times 40\text{ mm} \times 160\text{ mm}$
Thông số cơ học thu được Cường độ kháng nén một trục $q_u$, mô đun biến dạng $E_{50}$ tương ứng với các tỷ lệ cấp phối
Mô hình vật lý Mô hình cọc đơn (SP) và nhóm cọc (PG) bố trí theo dạng tam giác đều
  • Cơ chế chịu lực của hệ cọc cát biển – xi măng: Cọc làm việc theo nguyên lý cọc ma sát kết hợp chống mũi hoặc cọc bán cứng dạng trụ nổi nén chặt, tiếp nhận ứng suất truyền từ tải trọng nền đắp qua lớp đệm cát, truyền tải xuống các tầng đất sâu hơn và giảm thiểu áp lực tác dụng trực tiếp lên khối đất yếu giữa các cọc.
  • Quy trình thiết kế và thi công:
    • Đề xuất phương pháp tính lún theo nguyên lý cộng lún từng lớp kết hợp xét lớp tương đương $h_s$ và sơ đồ tính toán sức chịu tải nền gia cố cọc.
    • Cải tiến quy trình thi công cọc bằng máy khoan guồng xoắn UGB-50M: Tạo lỗ bằng đầu khoan xoắn, đưa hỗn hợp cát biển – xi măng đã định lượng vào lỗ khoan, đầm chặt và tạo hình thân cọc.
    • Thiết lập quy trình nghiệm thu chất lượng cọc hiện trường qua các bước kiểm tra kích thước hình học, độ đồng đều và kiểm tra cường độ vật liệu cọc.

Chương 4: Xây dựng mô hình số phân tích hiệu quả xử lý nền đất yếu bằng cọc cát biển – xi măng

Chương 4 kiểm chứng hiệu quả kỹ thuật của giải pháp thông qua mô hình hóa số phần tử hữu hạn 3D đối với mặt cắt địa kỹ thuật điển hình trên tuyến Hải Phòng – Nam Định:

  • Thiết lập mô hình số 3D:
    • Mô phỏng không gian 3D tương tác giữa khối đắp nền đường, móng cọc cát biển – xi măng (bố trí cọc dạng hoa mai/tam giác đều) và các lớp đất nền địa tầng Hải Phòng – Nam Định.
    • Đất yếu được gán mô hình phi tuyến đàn dẻo; cọc cát biển – xi măng được mô hình hóa với các giá trị độ cứng và chiều dài khác nhau.
    • Các cấp tải trọng kiểm tra gồm: Tải trọng bản thân khối đắp và hoạt tải ngoài bổ sung $p = 10\text{ kPa}, 15\text{ kPa}, 20\text{ kPa}$.
  • Kết quả phân tích định lượng từ mô hình số:
    • Giảm độ lún thẳng đứng: Nền đường sau khi xử lý bằng cọc cát biển – xi măng có độ lún giảm đáng kể so với nền tự nhiên chưa gia cố ở mọi cấp tải trọng ($p = 15\text{ kPa}, 20\text{ kPa}$).
    • Kiểm soát chuyển vị ngang: Giảm thiểu rõ rệt chuyển vị ngang tại vị trí chân taluy nền đắp, đảm bảo an toàn ổn định trượt mái dốc nền đường.
    • Phân bố lại ứng suất: Phần lớn tải trọng bên trên tập trung truyền trực tiếp vào đầu cọc (do cọc có độ cứng lớn hơn nền đất xung quanh), làm giảm ứng suất tác dụng lên nền đất yếu giữa các cọc.
    • Ảnh hưởng của chiều dài và cường độ cọc: Khi tăng chiều dài cọc xuyên qua tầng đất yếu tựa vào tầng Vĩnh Phúc ($Q_1^3vp$) hoặc tăng cường độ chịu nén của thân cọc, độ lún tổng thể và chuyển vị đầu cọc giảm dần, tối ưu hóa hiệu quả gia cố nền.

Kết quả và những đóng góp mới

Đóng góp mới về mặt khoa học lý luận

  1. Làm sáng tỏ đặc điểm địa kỹ thuật và phân loại cấu trúc nền: Đã xác lập bức tranh tổng thể về đặc điểm thạch học, nguồn gốc trầm tích Đệ Tứ và phân chia chi tiết các dạng cấu trúc nền đất yếu dọc tuyến đường ven biển Hải Phòng – Nam Định (từ dạng Ia đến IIc), gắn kết mối tương tác giữa địa tầng với điều kiện chịu tải của công trình đường bộ.
  2. Xác lập cơ sở khoa học cho giải pháp cọc cát biển – xi măng: Đã xây dựng hoàn chỉnh cơ sở lý thuyết về khả năng làm việc của cọc chế tạo từ cát biển kết hợp xi măng trong môi trường đất yếu; thiết lập các mối tương quan thực nghiệm giữa cường độ $q_u$, mô đun biến dạng $E_{50}$ theo hàm lượng xi măng và thời gian đông kết.
  3. Phát triển mô hình tính toán và mô phỏng 3D: Xây dựng phương pháp tính toán lún, sức chịu tải và mô hình số 3D mô phỏng sự làm việc đồng thời của hệ nền – cọc cát biển – xi măng dưới tác dụng của tải trọng tĩnh và hoạt tải xe chạy.

Đóng góp mới về mặt thực tiễn và ứng dụng

  1. Tận dụng nguồn vật liệu cát biển tại chỗ: Đưa ra giải pháp kỹ thuật thay thế cát sông truyền thống bằng cát biển sẵn có tại địa phương, giúp hạ giá thành xây dựng, tiết kiệm tài nguyên và tuân thủ các quy định bảo vệ môi trường theo Nghị định 23/2020/NĐ-CP.
  2. Xây dựng quy trình công nghệ và thiết bị thi công hoàn chỉnh: Đề xuất giải pháp thi công cải tiến dựa trên thiết bị máy khoan guồng xoắn UGB-50M, phù hợp với điều kiện mặt bằng thi công công trình dạng tuyến chật hẹp, dễ vận hành tại Việt Nam.
  3. Cung cấp cơ sở thiết kế cho tuyến ven biển Hải Phòng – Nam Định: Cung cấp thông số đầu vào và quy trình thiết kế, kiểm tra nghiệm thu cụ thể để các đơn vị tư vấn, quản lý dự án áp dụng vào thực tế dự án đường ven biển 64,1 km.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

  • Hạn chế:
    • Các kết quả thí nghiệm cơ lý và cấp phối cọc trong luận án tập trung chủ yếu vào mẫu cát biển thu thập tại khu vực Hải Phòng và loại xi măng Pooc lăng hỗn hợp PCB40 Nghi Sơn; chưa khảo sát đầy đủ tính chất của cát biển tại các vùng duyên hải khác.
    • Phân tích hiệu quả gia cố trong luận án dựa trên tổ hợp kết quả thí nghiệm mẫu trong phòng, mô hình vật lý thu nhỏ và mô phỏng số 3D; chưa có điều kiện quan trắc hiện trường dài hạn trên một đoạn tuyến thử nghiệm thực tế với tải trọng xe chạy khai thác liên tục.
  • Hướng nghiên cứu tiếp:
    • Mở rộng nghiên cứu độ bền lâu dài và khả năng chống ăn mòn ion sunfat, ion clorua ($Cl^-$) của cọc cát biển – xi măng trong môi trường nước ngầm nhiễm mặn ven biển.
    • Tiến hành thi công thử nghiệm đoạn cọc hiện trường (full-scale) và lắp đặt hệ thống quan trắc lún, áp lực nước lỗ rỗng theo thời gian thực để hiệu chỉnh các hệ số tính toán của mô hình lý thuyết.

Giá trị tham khảo

  • Đối với nghiên cứu sinh, học viên và giảng viên chuyên ngành Địa kỹ thuật xây dựng, Kỹ thuật xây dựng công trình giao thông:
    • Là tài liệu tham khảo trong việc tiếp cận phương pháp nghiên cứu cấu trúc nền đất yếu ven biển và ứng dụng cơ học đất vào phân tích tương tác nền móng phức tạp.
    • Cung cấp dữ liệu thí nghiệm cơ lý chi tiết về trầm tích Đệ Tứ ven biển Bắc Bộ (hệ tầng Lệ Chi, Hà Nội, Vĩnh Phúc, Hải Hưng, Thái Bình).
  • Đối với các kỹ sư thiết kế, tư vấn giám sát và cơ quan quản lý dự án hạ tầng giao thông:
    • Cung cấp phương pháp tính toán sức chịu tải, độ lún và quy trình công nghệ thi công cọc cát biển – xi măng bằng máy khoan guồng xoắn cải tiến UGB-50M.
    • Là cơ sở khoa học để lựa chọn giải pháp kỹ thuật thay thế cát sông, tối ưu hóa bài toán kinh tế – kỹ thuật trong xây dựng đường trên nền đất yếu ven biển.

Câu hỏi thường gặp

1. Tại sao luận án đề xuất thay thế cát sông bằng cát biển trong cọc gia cố nền?

Do việc khai thác cát sông ngày càng khó khăn, khan hiếm, giá thành cao và gây sạt lở bờ sông, ô nhiễm sinh thái nghiêm trọng, bị hạn chế theo Nghị định 23/2020/NĐ-CP. Việc sử dụng nguồn cát biển tại chỗ kết hợp xi măng PCB40 vừa tận dụng vật liệu địa phương, hạ giá thành công trình, vừa giải quyết bài toán gia cố nền đất yếu ven biển hiệu quả.

2. Tầng trầm tích nào đóng vai trò chịu lực chính làm lớp tựa mũi cọc trong khu vực nghiên cứu?

Hệ tầng Vĩnh Phúc ($Q_1^3vp$) có phần trên bị phong hóa mạnh tạo màu loang lổ và lớp kết vón laterit cứng chắc dày tới 1 m, phân bố ở độ sâu từ 2,9 m đến vài chục mét. Về mặt địa chất công trình, đây là lớp đất có khả năng chịu tải tốt, thuận lợi để đặt mũi cọc gia cố sâu xuyên qua tầng bùn sét yếu của hệ tầng Hải Hưng ($Q_2^{1-2}hh$).

3. Phương pháp thi công cọc cát biển – xi măng được đề xuất sử dụng thiết bị gì?

Luận án đề xuất cải tiến và sử dụng thiết bị máy khoan guồng xoắn UGB-50M. Thiết bị này tạo lỗ khoan xoắn êm, có tính cơ động cao, phù hợp với mặt bằng thi công công trình đường giao thông hẹp dọc bờ biển và quy mô thi công tại Việt Nam.

4. Kết quả mô phỏng 3D chỉ ra cọc cát biển – xi măng làm giảm những yếu tố biến dạng nào của nền đường?

Mô hình số 3D chỉ ra rằng việc gia cố cọc cát biển – xi măng giúp:

  • Giảm độ lún thẳng đứng của nền đường đắp dưới tác dụng của tải trọng bản thân và hoạt tải ngoài ($p = 10, 15, 20\text{ kPa}$).
  • Giảm chuyển vị ngang tại chân taluy nền đường đắp, nâng cao hệ số ổn định chống trượt mái dốc.
  • Tập trung ứng suất truyền xuống đầu cọc, làm giảm áp lực tác dụng trực tiếp lên tầng đất sét yếu giữa các cọc.

Kết luận

Luận án tiến sĩ của tác giả Nguyễn Thị Dịu đã giải quyết đồng bộ bài toán khoa học và thực tiễn về xử lý nền đất yếu cho tuyến đường bộ ven biển Hải Phòng – Nam Định. Công trình đã làm rõ đặc điểm địa tầng Đệ Tứ và phân chia các kiểu cấu trúc nền đất yếu dọc 64,1 km tuyến đường. Đồng thời, luận án đã xác lập thành công cơ sở lý thuyết, thực nghiệm cơ lý và mô hình số 3D cho giải pháp cọc cát biển – xi măng, mở ra hướng đi bền vững trong việc tận dụng nguồn vật liệu biển tại chỗ phục vụ xây dựng hạ tầng giao thông duyên hải Việt Nam.