Tổng quan luận án

Tính cấp thiết của đề tài và khoảng trống nghiên cứu

Trong chiến lược phát triển kinh tế biển gắn liền với an ninh quốc phòng, tuyến đường bộ ven biển Việt Nam dài 3.041 km từ cảng Núi Đỏ (tỉnh Quảng Ninh) đến thành phố Hà Tiên (tỉnh Kiên Giang) đi qua 28 tỉnh, thành phố ven biển đang được phân kỳ đầu tư xây dựng. Đoạn tuyến từ Hải Phòng đến Nam Định có tổng chiều dài 64,1 km, đóng vai trò kết nối hạ tầng giao thông liên vùng ven biển Bắc Bộ. Tuy nhiên, điều kiện địa chất công trình dọc tuyến rất phức tạp, mặt cắt địa tầng Đệ Tứ chứa các tầng đất yếu có chiều dày lớn, độ chịu tải thấp, tính nén lún cao thuộc hai hệ tầng Thái Bình và Hải Hưng. Sự xuất hiện của các lớp đất yếu ngay trên mặt hoặc ở độ sâu nông gây nguy cơ mất ổn định nền đắp và phát sinh lún kéo dài.

Các phương pháp xử lý nền đất yếu truyền thống tại Việt Nam hiện bộc lộ nhiều hạn chế khi áp dụng cho công trình tuyến ven biển:

  • Phương pháp 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 suy giảm hiệu quả thoát nước cố kết.
  • Phương pháp hút chân không khó áp dụng hiệu quả cho công trình dạng tuyến dài với bề rộng mặt cắt ngang hẹp.
  • Phương pháp cọc cát, giếng cát, cọc cát đầm đòi hỏi nguồn cát sông hạt trung đến thô đạt chuẩn kỹ thuật. Nguồn cát sông tự nhiên ngày càng khan hiếm và chịu sự kiểm soát nghiêm ngặt theo Nghị định số 23/2020/NĐ-CP của Chính phủ về quản lý cát, sỏi lòng sông.
  • Phương pháp cọc đất - xi măng đòi hỏi thiết bị thi công chuyên dụng phức tạp và chi phí đầu tư lớn.
  • Phương pháp cọc cát - xi măng - vôi sử dụng máy khoan xoắn cải tiến trước đây gặp khó khăn do nguồn cung vôi bột công nghiệp bị hạn chế và sử dụng cát sông giá thành cao.

Từ thực tiễn đó, khoảng trống nghiên cứu được đặt ra là cần phân chia cấu trúc nền đất yếu theo quan điểm tương tác nền - móng - công trình cho đoạn tuyến Hải Phòng - Nam Định; đồng thời đề xuất giải pháp xử lý nền bằng cọc cát biển - xi măng tận dụng nguồn cát biển tại chỗ, xác lập cơ sở lý thuyết, thực nghiệm và đánh giá hiệu quả trên mô hình số.

Mục tiêu nghiên cứu

Luận án xác định 3 mục tiêu nghiên cứu cụ thể:

  1. Làm sáng tỏ đặc điểm và phân chia được các kiểu cấu trúc nền đất yếu tuyến đường bộ ven biển từ Hải Phòng đến Nam Định.
  2. Đề xuất được phương pháp xử lý nền đất yếu mới bằng cọc cát biển - xi măng phù hợp với cấu trúc nền tuyến đường ven biển Hải Phòng - Nam Định với đầy đủ cơ sở lý thuyết, cơ sở thực nghiệm và quy trình tính toán, thiết kế và thi công cọc.
  3. Bước đầu đánh giá được hiệu quả xử lý nền đất yếu bằng cọc cát biển - xi măng trên cơ sở phân tích mô hình số mô phỏng hệ nền - cọc theo cấu trúc nền đặc trưng tuyến đường ven biển Hải Phòng - Nam Định.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

  • Đối tượng nghiên cứu: Đặc điểm cấu trúc nền đất yếu và phương pháp xử lý nền đất yếu bằng cọc cát biển - xi măng.
  • Phạm vi không gian: Nền địa chất dọc tuyến đường giao thông ven biển đoạn từ Hải Phòng đến Nam Định, chiều dài 64,1 km gồm hai đoạn: Hải Phòng - Thái Bình (29,7 km) và Thái Bình - Nam Định (34,4 km). Chiều sâu nghiên cứu bao trùm toàn bộ chiều dày tầng đất yếu (khoảng 30 - 40 m tính từ mặt đất tự nhiên). Nguồn cát nghiên cứu là cát biển ven bờ khu vực Hải Phòng.
  • Phạm vi kỹ thuật và vật liệu: Nghiên cứu sử dụng xi măng Pooc lăng thương phẩm PCB40 (sản xuất tại Nhà máy Xi măng Nghi Sơn); chế bị mẫu thí nghiệm trong phòng (kích thước 40x40x160 mm); mô hình vật lý thu nhỏ và mô hình số 3D phân tích theo cấu trúc nền đất yếu điển hình trên tuyến; tuyến đường thiết kế theo tiêu chuẩn đường cấp III đồng bằng, vận tốc thiết kế 80 km/h, mặt đường cấp cao A1, gồm 8 công trình cầu vượt sông.

Tổng quan tài liệu và vị trí của luận án

Các hướng nghiên cứu về đất yếu và phân loại đất yếu

Trên thế giới, nghiên cứu về đất yếu và phân loại đất yếu dựa trên các tiêu chuẩn kỹ thuật quốc tế:

  • Tiêu chuẩn Anh BS 5930 (1981, 1999) phân loại đất dính mềm yếu dựa vào sức kháng cắt không thoát nước ($S_u < 40\text{ kPa}$), cường độ nén một trục ($q_u < 50\text{ kPa}$) và chỉ số xuyên tiêu chuẩn ($N_{30} < 4$), chia mức độ hữu cơ từ 2% đến trên 10%.
  • Tiêu chuẩn Mỹ ASTM D 2487 (2010) phân loại đất yếu thông qua nhóm đất sét/bột hữu cơ (giới hạn chảy $W_L$ sau khi sấy khô nhỏ hơn 75% so với trước khi sấy) và than bùn.
  • Tiêu chuẩn Nga tiếp cận theo hai trường phái: phân chia theo thành hệ địa chất và phân chia theo nguyên tắc địa chất công trình.
  • Skempton (1953) đề xuất chỉ số hoạt hóa $AI$ để đánh giá thành phần khoáng vật (nhóm $AI > 1,25$ giàu monmorilonit, $AI < 1,25$ giàu kaolinit). Omar và Jaafar (2000) nghiên cứu đất yếu ven biển tại Cyberjaya (Malaysia), chỉ ra sự biến đổi của hệ số nén lún $a$, chỉ số nén $C_c$, độ ẩm và giới hạn Atterberg theo chiều sâu. Các tác giả Ma và nnk (2010), Zeng và nnk (2011), Yadu (2013), Uddin (2018), Ye và nnk (2015) phân tích cấu trúc khoáng vật đất yếu ven biển bằng nhiễu xạ tia X (XRD).

Tại Việt Nam, các tiêu chuẩn và công trình phân loại đất yếu bao gồm:

  • Tiêu chuẩn TCXDVN 5747:1993, TCVN 9355:2012, 22TCN 262-2000, TCVN 8217:2009 và TCVN 9362:2012 quy định các chỉ tiêu cơ lý nhận dạng đất yếu: độ ẩm $W \ge W_L$, hệ số rỗng $e \ge 1,0$ (đất sét pha) hoặc $e \ge 1,5$ (đất sét), góc ma sát trong $\varphi \le 10^\circ$, lực dính $c < 15\text{ kPa}$, sức kháng xuyên tĩnh $q_c < 100\text{ kPa}$, sức kháng cắt cánh hiện trường $S_u \le 35\text{ kPa}$.
  • Các nghiên cứu của Phạm Văn Tỵ, Nguyễn Thanh, Hồ Chất, Đỗ Minh Toàn, Tạ Đức Thịnh, Nguyễn Văn Phóng, Nguyễn Thị Nụ, Hoàng Văn Tân, Nguyễn Huy Phương về đặc tính cơ lý, nguồn gốc trầm tích đầm lầy, sông - biển của đất yếu Đệ Tứ đồng bằng Bắc Bộ và Nam Bộ.

Các nghiên cứu về cấu trúc nền đất yếu

  • Nguyễn Thanh (1984) đưa ra khái niệm cấu trúc nền công trình dựa trên quy luật phân bố theo chiều sâu của các thành tạo đất đá Đệ Tứ vùng đồng bằng Bắc Bộ.
  • Lê Trọng Thắng (1998) định nghĩa cấu trúc nền là phần tương tác giữa công trình và môi trường địa chất trong vùng ảnh hưởng nén ép.
  • Phạm Văn Tỵ và nnk (1999) chuẩn hóa khái niệm cấu trúc nền là mối quan hệ sắp xếp không gian của các thể địa chất cấu thành nền.
  • Tạ Đức Thịnh (1990) ứng dụng mô hình toán học nghiên cứu không gian biến đổi chỉ tiêu cơ lý đất yếu hệ tầng Hải Hưng.
  • Nguyễn Huy Phương và nnk (2004) phân chia cấu trúc nền khu vực Hà Nội thành 9 lớp phục vụ xây dựng công trình ngầm và trên mặt.
  • Nguyễn Thị Nụ (2014) phân chia cấu trúc nền đất sét yếu $amQ_{2}^{2-3}$ vùng ven biển Đồng bằng sông Cửu Long thành các kiểu (theo vị trí không gian) và phụ kiểu (theo bề dày).
  • Nguyễn Văn Phóng và nnk (2016) phân chia cấu trúc nền đất yếu vùng ven biển Bắc Bộ thành 4 kiểu (I, II, III, IV) và 4 dạng bề dày (a: $> 20\text{ m}$; b: $10 - 20\text{ m}$; c: $5 - 10\text{ m}$; d: $< 5\text{ m}$).

Các nghiên cứu về phương pháp gia cố và xử lý nền

  • Trên thế giới: Thụy Điển và Phần Lan phát triển kỹ thuật trộn sâu bằng vôi và xi măng (Kujala và Lahtinen, 1992; Kukko và Puohomaki, 1995); Nhật Bản phát triển phương pháp trộn ướt CDM (1975), phương pháp trộn khô DJM (1976 - 1980) do Chida (1982) miêu tả, Kitazume và nnk (2000) nghiên cứu mô hình ly tâm; Mỹ áp dụng cọc đất - xi măng trong đập Jackson Lake (Taki và Yang, 1991), hầm Boston (Fairweather, 1996); Trung Quốc ứng dụng tại cảng Thiên Tân và Yantai (Tang, 1996); Horpibulsuk và nnk (2012) tại Thái Lan nghiên cứu quan hệ tỷ lệ nước/xi măng đối với cường độ cọc.
  • Tại Việt Nam: Hồ Chất (1985), Đỗ Minh Toàn (1993, 2011), Lê Thị Phòng (2006), Nguyễn Thị Thắm và nnk (2008), Trịnh Thị Huế (2009), Nguyễn Thị Thu Quỳnh (2010), Viện Thủy Công (2013) nghiên cứu gia cố đất bằng vôi, xi măng kết hợp phụ gia; Tạ Đức Thịnh (2002) phát triển giải pháp cọc cát - xi măng - vôi thi công bằng máy khoan xoắn UGB-50M; Viện Khoa học Công nghệ Xây dựng và Viện Khoa học Thủy lợi nghiên cứu cọc đất - xi măng, Jet-grouting; các tiêu chuẩn quốc gia TCVN 9403:2012, TCVN 9842:2013, TCVN 11713:2017 hướng dẫn thiết kế, thi công cọc đất - xi măng, bấc thấm, cọc cát đầm chặt.

Vị trí và định vị khoảng trống của luận án

Luận án kế thừa cách tiếp cận phân chia cấu trúc nền đất yếu của các nghiên cứu trước, bổ sung quan điểm tương tác động lực giữa nền và tải trọng công trình giao thông ven biển. Đồng thời, luận án giải quyết bài toán thiếu hụt vật liệu hạt thô và vôi bằng việc đề xuất cọc cát biển - xi măng sử dụng máy khoan guồng xoắn UGB-50M cải tiến, thiết lập hệ thống cơ sở tính toán lý thuyết, thực nghiệm cơ lý và mô phỏng số 3D ứng dụng trực tiếp cho tuyến ven biển Hải Phòng - Nam Định.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Cơ sở lý thuyết và khung phân tích

  • Khái niệm đất yếu: Luận án tiếp cận đất yếu theo hai quan điểm: quan điểm địa chất công trình (tuyệt đối: đất bão hòa nước, hệ số rỗng lớn, sức kháng cắt thấp, tính biến dạng lớn) và quan điểm xây dựng (tương tác: sức chịu tải của nền đất nhỏ hơn ứng suất tác dụng do tải trọng công trình).
  • Khái niệm cấu trúc nền đất yếu: Hệ thống sắp xếp trong không gian của các lớp đất nền (bao gồm đất yếu) được phân chia theo quan điểm địa chất công trình, phản ánh trường vật chất đặc trưng bởi tuổi, nguồn gốc, chiều dày, kiến trúc, cấu tạo, trạng thái, tính chất cơ lý và tương tác cơ học khi chịu tải trọng công trình.
  • Lý thuyết tính toán nền cọc gia cố: Dựa trên lý thuyết cố kết thấm của Terzaghi, lý thuyết truyền ứng suất trong môi trường nhiều lớp, phương pháp cộng lún từng lớp với chiều dày lớp tương đương $h_s$, sơ đồ xác định sức chịu tải của cọc đơn và nhóm cọc cát biển - xi măng.

Phương pháp nghiên cứu

  1. Phương pháp tổng hợp và hệ thống hóa tài liệu: Thu thập dữ liệu địa chất, địa chất thủy văn, tài liệu khảo sát địa kỹ thuật tuyến Hải Phòng - Nam Định của HECO - TEDI, Công ty Cổ phần Tư vấn Thiết kế - Kiểm định và Địa kỹ thuật, Ban Quản lý Dự án Giao thông Nam Định.
  2. Phương pháp chuyên gia: Tham vấn ý kiến các nhà khoa học trong lĩnh vực địa kỹ thuật công trình.
  3. Phương pháp nghiên cứu lý thuyết: Xây dựng mô hình toán tính lún và sức chịu tải của nền đất yếu xử lý bằng cọc cát biển - xi măng.
  4. Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm:
    • Khảo sát thực địa, lấy mẫu cát biển tại Hải Phòng và đất sét yếu dọc tuyến.
    • Thí nghiệm trong phòng xác định thành phần hạt, thành phần hóa học, chỉ tiêu cơ lý của cát biển Hải Phòng và đất nền theo các tiêu chuẩn hiện hành.
    • Đúc mẫu cát biển - xi măng kích thước $40 \times 40 \times 160\text{ mm}$ với xi măng PCB40 Nghi Sơn ở các tỷ lệ cấp phối khác nhau, thí nghiệm xác định cường độ kháng nén $q_u$ và mô đun biến dạng $E_{50}$ theo thời gian bảo dưỡng (7, 14, 28 ngày).
    • Thí nghiệm mô hình vật lý thu nhỏ kiểm chứng sức chịu tải và độ lún của cọc đơn (SP) và nhóm cọc (PG) bố trí theo lưới tam giác đều.
  5. Phương pháp mô hình hóa số: Xây dựng mô hình 3D phân tích tương tác khối đắp - cọc - nền đất yếu dưới các cấp tải trọng ngoài ($p = 10\text{ kPa}, 15\text{ kPa}, 20\text{ kPa}$) và tải trọng bản thân nền đắp, đánh giá chuyển vị lún, chuyển vị ngang chân taluy và ứng suất truyền xuống đầu cọc/đất nền.

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, cấu trúc nền đất yếu và các giải pháp gia cố nền trên thế giới và tại Việt Nam. Nội dung chương phân tích chi tiết:

  • Tiêu chuẩn phân loại đất yếu quốc tế (Anh, Mỹ, Nga) và hệ thống tiêu chuẩn Việt Nam (TCVN 9355:2012, 22TCN 262-2000, TCVN 8217:2009, TCVN 9362:2012).
  • Phân loại nguồn gốc đất yếu: nguồn gốc đầm lầy (chứa mùn hữu cơ, đất than bùn với hàm lượng hữu cơ $q$ từ 20% đến trên 60%), nguồn gốc sông, hồ, biển (bùn sét, bùn sét pha, sét dẻo mềm đến dẻo chảy).
  • Khái quát đặc tính cơ lý chung của đất yếu: độ ẩm tự nhiên $W = 60% - 90%$ (than bùn có thể đạt hàng trăm %), hệ số rỗng $e = 0,8 - 3,0$, khối lượng thể tích khô $\gamma_c = 0,9 - 1,3\text{ g/cm}^3$, lực dính $c = 2 - 10\text{ kPa}$, góc ma sát trong $\varphi = 0^\circ - 7^\circ$, mô đun biến dạng $E_0 < 3000 - 5000\text{ kPa}$, hệ số nén lún $a = 5 - 30\text{ kPa}^{-1}$.
  • Tổng kết 10 nhóm giải pháp xử lý nền đất yếu (nông và sâu). Phân tích hạn chế của các phương pháp bấc thấm, hút chân không, cọc cát đầm chặt, cọc đất - xi măng và cọc cát - xi măng - vôi trong bối cảnh khan hiếm cát sông và yêu cầu thi công tuyến ven biển.

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

Chương 2 trình bày điều kiện tự nhiên, địa tầng trầm tích Đệ Tứ và kết quả phân chia cấu trúc nền đất yếu đoạn tuyến Hải Phòng - Nam Định:

  • Đặc điểm khí hậu: Lượng mưa trung bình năm 1077 mm, mùa mưa kéo dài từ tháng 7 đến tháng 9 - 10, chiếm 57% lượng mưa cả năm; nhiệt độ tăng trung bình 0,013 °C/năm.
  • Đặc điểm địa hình: Gồm vùng đồng bằng trong đê (cao độ 0,8 - 3,0 m) và dải cồn cát, bãi triều ngoài đê chịu ảnh hưởng trực tiếp của thủy triều và các cửa sông lớn (cửa Ba Lạt, cửa Thái Bình, cửa Đáy).
  • Địa tầng Đệ Tứ: Gồm 5 hệ tầng phân bố từ dưới lên trên:
    1. Hệ tầng Lệ Chi ($Q_1^{lc}$): Nằm ở độ sâu 47 - 60 m, chiều dày 13 m, gồm 2 lớp bột sét màu xám vàng loang lổ và xám xanh lẫn kết vón laterit (đường kính 2 - 4 mm).
    2. Hệ tầng Hà Nội ($Q_1^{2-3}hn$): Độ sâu 15 - 90 m, dày 7 - 40 m, gồm trầm tích sông ($a$) chứa cát, bột và trầm tích sông - biển ($am$) chứa bột sét lẫn sạn sỏi cuội vôi.
    3. Hệ tầng Vĩnh Phúc ($Q_1^3vp$): Độ sâu 0 - 86,5 m (lộ mảng sót tại Thủy Nguyên), dày 1,7 - 53 m, phần trên bị laterit hóa loang lổ cứng chắc, khả năng chịu tải tốt.
    4. Hệ tầng Hải Hưng ($Q_2^{1-2}hh$): Gồm tập dưới ($Q_2^{1-2}hh_1$) dày 3,4 - 31 m và tập trên ($Q_2^{1-2}hh_2$) dày 1,8 - 45 m; thành phần chủ yếu là bùn sét, sét pha, bột sét lẫn mùn hữu cơ và vỏ sò ốc.
    5. Hệ tầng Thái Bình ($Q_2^3tb$): Trầm tích Holocen muộn phân bố trên bề mặt, gồm các phụ hệ tầng $Q_2^3tb_1, Q_2^3tb_2, Q_2^3tb_3$ chứa sét, cát pha, bùn sét trạng thái chảy, dẻo chảy.
  • Phân chia cấu trúc nền đất yếu: Dựa trên vị trí phân bố và chiều dày tầng đất yếu, tuyến đường được phân chia thành các kiểu và dạng cấu trúc điển hình:
    • Kiểu I: Đất yếu phân bố ngay trên bề mặt địa hình (gồm các dạng $Ia, Ib, Ic$ phân bố tại các đoạn Km1+250 - Km1+760, Km16+400 - Km16+698, Km20+326 - Km20+406).
    • Kiểu II: Đất yếu phân bố phía dưới lớp đất phủ có đặc tính cơ lý tốt hơn (gồm các dạng $IIa, IIb, IIc$ phân bố tại Km9+390, Km8+461, Km31+255 - Km31+645).

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

Chương 3 thiết lập cơ sở khoa học, thực nghiệm và quy trình công nghệ cho giải pháp cọc cát biển - xi măng:

  • Nghiên cứu thực nghiệm vật liệu:
    • Cát biển Hải Phòng được phân tích quang phổ, xác định thành phần hạt, thành phần hóa học và các chỉ tiêu cơ lý theo tiêu chuẩn.
    • Chế tạo các cấp phối mẫu cát biển - xi măng (sử dụng xi măng PCB40 Nghi Sơn). Kết quả nén mẫu $40 \times 40 \times 160\text{ mm}$ xác định sự phát triển cường độ kháng nén $q_u$ và mô đun biến dạng $E_{50}$ tăng theo hàm lượng xi măng và ngày tuổi bảo dưỡng.
  • Thí nghiệm mô hình vật lý: Mô phỏng ứng xử nén tĩnh của cọc đơn (SP) và nhóm cọc (PG) trong nền đất sét yếu nhằm xác định đường cong quan hệ tải trọng - độ lún ($P - S$).
  • Cơ sở lý thuyết tính toán:
    • Thiết lập sơ đồ truyền ứng suất trong hệ kết cấu mặt đường - khối đắp nền - cọc cát biển xi măng - nền đất yếu.
    • Đề xuất phương pháp tính toán độ lún theo phương pháp cộng lún từng lớp dựa trên chiều dày tương đương $h_s$.
    • Đề xuất công thức xác định sức chịu tải của cọc đơn và sức chịu tải tổng thể của nền gia cố khi bố trí cọc theo mạng lưới hình tam giác đều.
  • Quy trình thi công và nghiệm thu: Xây dựng hướng dẫn thiết kế, quy trình thi công cọc bằng máy khoan guồng xoắn UGB-50M và các tiêu chí kiểm tra, nghiệm thu chất lượng cọc tại hiện trường.

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

Chương 4 ứng dụng phương pháp phần tử hữu hạn 3D để mô phỏng và đánh giá hiệu quả làm việc của hệ nền cọc gia cố trên đoạn tuyến điển hình Hải Phòng - Nam Định:

  • Thiết lập mô hình: Mô hình hóa mặt cắt ngang nền đường đắp cấp III đồng bằng, chiều cao đắp thiết kế, cọc cát biển - xi măng đường kính xác định bố trí tam giác đều, mô phỏng các lớp đất nền theo kết quả khảo sát địa kỹ thuật.
  • Phân tích kết quả biến dạng lún: So sánh độ lún của nền đường trong hai trường hợp chưa gia cố và đã gia cố bằng cọc cát biển - xi măng dưới tác dụng của tải trọng bản thân nền đắp và tải trọng ngoài ($p = 10\text{ kPa}, 15\text{ kPa}, 20\text{ kPa}$). Nền gia cố cọc làm giảm độ lún tổng cộng và phân bố lại ứng suất nền.
  • Phân tích chuyển vị ngang: Đánh giá chuyển vị ngang của chân mái taluy nền đắp. Kết quả cho thấy hệ cọc cát biển - xi măng hạn chế hiện tượng trượt trồi và chuyển vị ngang chân taluy.
  • Ảnh hưởng của độ cứng và chiều dài cọc:
    • Cường độ (mô đun đàn hồi) của cọc tăng làm giảm độ lún của nền và chuyển vị đầu cọc, đồng thời gia tăng tỷ phần ứng suất truyền vào đầu cọc, giảm ứng suất tác dụng lên đất yếu giữa các cọc.
    • Tăng chiều dài cọc giúp kiểm soát độ lún nền đường và giảm chuyển vị ngang chân taluy dưới các cấp tải trọng khai thác.

Bảng tổng hợp dữ liệu nghiên cứu của luận án

Hạng mục thông tin Dữ liệu trích xuất từ luận án
Tên đề tài Nghiên cứu đặc điểm cấu trúc nền đất yếu tuyến đường giao thông ven biển đoạn từ Hải Phòng đến Nam Định và đề xuất giải pháp xử lý nền bằng cọc cát biển - xi măng
Tác giả & Đơn vị Nguyễn Thị Dịu – Trường Đại học Giao thông Vận tải (Hà Nội, 2021)
Người hướng dẫn PGS.TS Tạ Đức Thịnh, PGS.TS Nguyễn Đức Mạnh
Mã số chuyên ngành 9580205 (Địa kỹ thuật xây dựng / Kỹ thuật xây dựng CTGT)
Tuyến đường nghiên cứu Tuyến ven biển Hải Phòng - Nam Định (dài 64,1 km: Hải Phòng - Thái Bình 29,7 km; Thái Bình - Nam Định 34,4 km; tiêu chuẩn cấp III đồng bằng, 80 km/h)
Địa tầng Đệ Tứ chứa đất yếu Hệ tầng Hải Hưng ($Q_2^{1-2}hh$) và hệ tầng Thái Bình ($Q_2^3tb$)
Phân loại cấu trúc nền đất yếu Kiểu I (đất yếu lộ trên mặt: $Ia, Ib, Ic$) và Kiểu II (đất yếu bị phủ: $IIa, IIb, IIc$)
Vật liệu gia cố đề xuất Cát biển ven bờ Hải Phòng + Xi măng PCB40 Nghi Sơn
Kích thước mẫu thí nghiệm Mẫu vữa cát biển - xi măng $40 \times 40 \times 160\text{ mm}$ xác định $q_u, E_{50}$
Thiết bị thi công đề xuất Máy khoan guồng xoắn UGB-50M
Mô hình mô phỏng số Mô hình số 3D phân tích các cấp tải trọng ngoài $p = 10\text{ kPa}, 15\text{ kPa}, 20\text{ kPa}$

Kết quả và những đóng góp mới

Đóng góp về mặt lý luận và khoa học

  1. Làm sáng tỏ đặc điểm địa chất công trình và phân chia chi tiết các kiểu, dạng cấu trúc nền đất yếu dọc tuyến đường ven biển Hải Phòng - Nam Định theo quan điểm gắn kết giữa cấu trúc địa tầng tự nhiên và sự tương tác cơ học với công trình đường giao thông.
  2. Xây dựng cơ sở lý thuyết tính toán độ lún (theo phương pháp cộng lún từng lớp kết hợp chiều dày tương đương $h_s$) và sức chịu tải của nền đất yếu xử lý bằng cọc cát biển - xi măng bố trí theo mạng lưới tam giác đều.
  3. Thiết lập hệ phương pháp nghiên cứu tích hợp giữa thí nghiệm mẫu vật liệu trong phòng, thí nghiệm mô hình vật lý thu nhỏ và mô hình số 3D để mô phỏng cơ chế làm việc của hệ nền đất yếu - cọc cát biển - xi măng.

Đóng góp về mặt thực tiễn và giải pháp kỹ thuật

  1. Đề xuất giải pháp kỹ thuật sử dụng cọc cát biển - xi măng xử lý nền đất yếu công trình giao thông ven biển, tận dụng nguồn cát biển tại chỗ nhằm thay thế cát sông đang khan hiếm, đáp ứng các quy định bảo vệ môi trường theo Nghị định 23/2020/NĐ-CP.
  2. Xác lập các thông số cơ lý, cấp phối tối ưu giữa cát biển Hải Phòng và xi măng PCB40 Nghi Sơn, xác định quy luật phát triển cường độ kháng nén $q_u$ và mô đun biến dạng $E_{50}$ theo thời gian.
  3. Hoàn thiện quy trình thiết kế, quy trình công nghệ thi công cọc cát biển - xi măng sử dụng máy khoan guồng xoắn UGB-50M cải tiến và quy trình kiểm tra nghiệm thu cọc tại hiện trường.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế

  • Nghiên cứu thực nghiệm vật liệu tập trung vào nguồn cát biển ven bờ Hải Phòng và loại xi măng Pooc lăng PCB40 Nghi Sơn; chưa khảo sát mở rộng cho toàn bộ các nguồn cát biển khác dọc dải ven biển Việt Nam.
  • Các phân tích mô hình số 3D và mô hình vật lý được tiến hành dựa trên các mặt cắt cấu trúc nền đất yếu điển hình của tuyến, chưa bao quát toàn bộ sự biến thiên cục bộ dọc 64,1 km của tuyến đường.

Hướng nghiên cứu tiếp

  • Mở rộng nghiên cứu thực nghiệm đối với các loại cát biển có độ mặn, thành phần khoáng vật và độ hạt khác nhau tại các vùng duyên hải miền Trung và miền Nam.
  • Triển khai thi công thử nghiệm cọc cát biển - xi măng quy mô thực tế ngoài hiện trường trên tuyến đường ven biển Hải Phòng - Nam Định và lắp đặt thiết bị quan trắc lún, chuyển vị ngang lâu dài.
  • Nghiên cứu độ bền lâu dài và khả năng chống ăn mòn sunfat, clo của cọc cát biển - xi măng trong môi trường nước ngầm nhiễm mặn ven biển.

Giá trị tham khảo

Luận án là tài liệu chuyên khảo có giá trị ứng dụng và tham khảo trong các lĩnh vực:

  • Kỹ sư thiết kế và tư vấn địa kỹ thuật: Tham khảo sơ đồ tính toán lún, sức chịu tải và thông số cấp phối cọc cát biển - xi măng khi lập giải pháp gia cố nền đường ven biển và công trình hạ tầng trên đất yếu.
  • Đơn vị thi công hạ tầng giao thông: Áp dụng quy trình công nghệ chế bị và thi công cọc cát biển - xi măng bằng thiết bị khoan xoắn UGB-50M cải tiến, quy trình kiểm tra chất lượng và nghiệm thu.
  • Cơ quan quản lý nhà nước và chủ đầu tư: Cung cấp cơ sở khoa học để đánh giá hiệu quả kinh tế - kỹ thuật của giải pháp vật liệu thay thế cát sông, phục vụ định hướng phát triển hạ tầng giao thông ven biển bền vững.
  • Cơ sở đào tạo và nghiên cứu: Phục vụ công tác giảng dạy, nghiên cứu chuyên đề về Địa kỹ thuật công trình, Xử lý nền móng và Cơ học đất tại các trường đại học khối kỹ thuật xây dựng và giao thông.

Câu hỏi thường gặp

1. Tuyến đường ven biển Hải Phòng - Nam Định có quy mô kỹ thuật và phạm vi như thế nào?

Tuyến đường ven biển Hải Phòng - Nam Định có tổng chiều dài 64,1 km, gồm đoạn Hải Phòng - Thái Bình dài 29,7 km (20,7 km thuộc Hải Phòng, điểm đầu tại phường Minh Đức, quận Đồ Sơn; 9,0 km thuộc Thái Bình, điểm cuối tại xã Thụy Liên, huyện Thái Thụy) và đoạn Thái Bình - Nam Định dài 34,4 km (điểm cuối tại Km64+100 kết nối tuyến Nam Định - Ninh Bình). Tuyến được thiết kế theo tiêu chuẩn đường cấp III đồng bằng, mặt đường cấp cao A1, vận tốc thiết kế 80 km/h, có 8 công trình cầu vượt sông.

2. Các lớp đất yếu dọc tuyến ven biển Hải Phòng - Nam Định thuộc những phân vị địa tầng nào?

Các lớp đất yếu dọc tuyến chủ yếu thuộc trầm tích Đệ Tứ của hai hệ tầng: Hệ tầng Hải Hưng ($Q_2^{1-2}hh$) gồm tập dưới ($Q_2^{1-2}hh_1$) và tập trên ($Q_2^{1-2}hh_2$), và Hệ tầng Thái Bình ($Q_2^3tb$) gồm các phụ hệ tầng $Q_2^3tb_1, Q_2^3tb_2, Q_2^3tb_3$. Các lớp đất yếu này chủ yếu là sét, sét pha, cát pha trạng thái chảy, dẻo chảy và bùn loại sét có nguồn gốc sông - biển ($am$), biển - đầm lầy ($mb$) và biển ($m$).

3. Cấu trúc nền đất yếu được luận án định nghĩa như thế nào?

Cấu trúc nền đất yếu là hệ thống sắp xếp trong không gian của các lớp đất nền (trong đó có đất yếu) được phân chia theo quan điểm địa chất công trình, phản ánh các trường vật chất được đặc trưng bởi tuổi, nguồn gốc, chiều dày, thành phần, kiến trúc, cấu tạo, trạng thái và tính chất của chúng, cũng như quyết định các quá trình cơ học, vật lý, hóa học diễn ra trong nó khi chịu tác động của các yếu tố tự nhiên và hoạt động công trình.

4. Lý do chính tác giả đề xuất sử dụng cọc cát biển - xi măng thay vì cọc cát sông truyền thống?

Việc đề xuất cọc cát biển - xi măng xuất phát từ: (1) Nguồn cát sông tự nhiên hạt trung, hạt thô ngày càng cạn kiệt, giá thành cao và việc khai thác bị hạn chế nghiêm ngặt theo Nghị định 23/2020/NĐ-CP; (2) Nguồn vôi bột dùng trong cọc cát - xi măng - vôi trước đây khó bảo quản và vận chuyển; (3) Tận dụng nguồn cát biển sẵn có gần công trình giúp giảm cước vận chuyển, hạ giá thành xây dựng và giảm tác động xấu đến môi trường sinh thái sông ngòi.

5. Thiết bị và nguyên lý thi công cọc cát biển - xi măng được đề xuất trong luận án là gì?

Luận án đề xuất sử dụng máy khoan guồng xoắn UGB-50M cải tiến để tạo lỗ và trộn hỗn hợp cát biển - xi măng trực tiếp tại vị trí cọc. Thiết bị này có tính cơ động cao, phù hợp với điều kiện mặt bằng thi công chật hẹp của các công trình dạng tuyến và quy mô vừa, nhỏ tại Việt Nam.

Kết luận

Luận án tiến sĩ kỹ thuật của NCS. Nguyễn Thị Dịu đã giải quyết trọn vẹn bài toán nghiên cứu đặc điểm cấu trúc nền đất yếu và đề xuất giải pháp cọc cát biển - xi măng phục vụ xây dựng tuyến đường giao thông ven biển Hải Phòng - Nam Định. Tác giả đã làm rõ cấu trúc địa tầng Đệ Tứ, phân chia các kiểu dạng cấu trúc nền đất yếu đặc trưng và xác lập hệ thống cơ sở lý thuyết, thực nghiệm cho cọc cát biển - xi măng chế tạo từ cát biển Hải Phòng và xi măng PCB40. Kết quả mô phỏng số 3D khẳng định hiệu quả giảm lún, hạn chế chuyển vị ngang và phân bố lại ứng suất của hệ cọc, cung cấp giải pháp xử lý nền đất yếu có tính khả thi kỹ thuật và thân thiện môi trường cho công trình giao thông ven biển.