Tổng quan nghiên cứu

Trong bối cảnh phát triển kinh tế xã hội và các chính sách an sinh của Nhà nước, nhu cầu xây dựng các công trình dân dụng tại vùng nông thôn tỉnh Đồng Tháp ngày càng tăng. Theo báo cáo địa chất công trình, nhiều khu vực như huyện Tháp Mười, Châu Thành, Lai Vung có nền đất yếu với lớp bùn nhão dày từ 20 đến 30 mét, chỉ số SPT gần bằng 0, góc ma sát trong trung bình khoảng 3 độ và lực dính rất thấp, gây ra nhiều khó khăn trong việc thi công móng công trình. Các giải pháp truyền thống như sử dụng cừ tràm hay cọc bê tông cốt thép đều tồn tại nhiều hạn chế về chi phí, độ ổn định và khả năng chịu tải, đặc biệt khi áp dụng cho nhà dân dụng thấp tầng.

Mục tiêu nghiên cứu là đánh giá hiệu quả kỹ thuật và kinh tế của phương pháp gia cố nền đất yếu bằng cọc đất gia cố xi măng đường kính nhỏ tại huyện Tháp Mười, tỉnh Đồng Tháp. Nghiên cứu tập trung vào việc khảo sát chỉ tiêu cơ lý của đất trước và sau khi gia cố, đánh giá khả năng chịu lực và ổn định nền đất, đồng thời đề xuất quy trình thi công phù hợp với điều kiện địa phương. Phạm vi nghiên cứu bao gồm ba công trình xây dựng trên nền đất yếu tại huyện Tháp Mười, với quy mô nhà dân dụng thấp tầng tối đa 3 tầng, trong giai đoạn nghiên cứu năm 2019.

Ý nghĩa của nghiên cứu thể hiện qua việc cung cấp giải pháp xử lý nền móng hiệu quả, tiết kiệm chi phí, phù hợp với điều kiện vận chuyển và thi công tại vùng Đồng bằng sông Cửu Long. Kết quả nghiên cứu góp phần thúc đẩy ứng dụng công nghệ mới trong xây dựng, nâng cao chất lượng và độ bền vững của các công trình dân dụng trên nền đất yếu.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu dựa trên các lý thuyết và mô hình về cọc đất gia cố xi măng, bao gồm:

  • Nguyên lý hình thành cường độ của trụ đất xi măng: Quá trình trộn xi măng với đất nền tạo ra các phản ứng thủy hóa, sinh ra các sản phẩm xi măng sơ cấp và thứ cấp như hydrat calcium silicat (CSH), hydrat calcium aluminate (CAH) và vôi tôi (Ca(OH)2), làm tăng cường độ và tính bền của đất. Cường độ của hỗn hợp phụ thuộc vào loại đất, hàm lượng xi măng, độ pH và thành phần khoáng vật.

  • Mô hình tính toán sức chịu tải của trụ đơn và nhóm trụ xi măng đất: Sức chịu tải của trụ đơn được xác định bởi sức kháng cắt của đất sét yếu bao quanh và sức kháng cắt của vật liệu trụ xi măng đất. Khả năng chịu tải giới hạn của nhóm trụ phụ thuộc vào độ bền cắt của đất chưa xử lý giữa các cọc và độ bền cắt của vật liệu cọc. Các dạng phá hoại bao gồm phá hoại cắt qua khối đất gia cố và phá hoại cục bộ tại rìa khối cọc.

  • Đặc tính kỹ thuật của đất xi măng: Bao gồm cường độ nén một trục nở hông (qu), mô đun đàn hồi (E50), hệ số Poisson, hệ số nén và tính thấm. Cường độ qu tăng theo hàm lượng xi măng và thời gian bảo dưỡng, với công thức thực nghiệm xác định qu theo ngày tuổi mẫu. Mô đun đàn hồi tỷ lệ thuận với qu, dao động từ 350 đến 1000 lần qu tùy loại đất.

  • Phương pháp thi công trụ đất xi măng: Các công nghệ chính gồm Jet-Grouting (khoan phụt vữa cao áp), trộn ướt (Cement Depth Method - CDM) và trộn khô (Dry Jet Mixing - DJM). Mỗi công nghệ có ưu nhược điểm riêng, phù hợp với điều kiện địa chất và yêu cầu công trình khác nhau.

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu sử dụng kết hợp phương pháp lý thuyết, thí nghiệm trong phòng và thử nghiệm hiện trường:

  • Nguồn dữ liệu: Thu thập số liệu địa chất, thủy văn tại huyện Tháp Mười và huyện Châu Thành, tỉnh Đồng Tháp; số liệu thí nghiệm mẫu đất xi măng tại các công trình thực tế; dữ liệu quan trắc hiện trường về cường độ và biến dạng trụ đất gia cố.

  • Phương pháp phân tích: Thí nghiệm nén một trục nở hông để xác định cường độ qu của mẫu đất xi măng với các hàm lượng xi măng khác nhau (5%, 10%, 15%, 20%) và các thời gian bảo dưỡng (14, 28, 56, 90 ngày). Phân tích khả năng chịu tải của trụ đơn và nhóm trụ theo mô hình lý thuyết, tính toán độ lún ổn định của nền gia cố. So sánh kết quả thí nghiệm và tính toán để đánh giá hiệu quả gia cố.

  • Timeline nghiên cứu: Nghiên cứu được thực hiện trong năm 2019, bao gồm giai đoạn khảo sát địa chất (3 tháng), thí nghiệm phòng (4 tháng), thi công và thử nghiệm hiện trường (5 tháng), phân tích và tổng hợp kết quả (2 tháng).

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Tăng cường độ đất sau gia cố: Kết quả thí nghiệm nén một trục nở hông cho thấy cường độ qu của mẫu đất gia cố xi măng tăng rõ rệt theo hàm lượng xi măng và thời gian bảo dưỡng. Ví dụ, tại công trình UBND xã Mỹ Hòa, qu28 ngày đạt khoảng 450 kPa với hàm lượng xi măng 15%, tăng gấp 3 lần so với đất tự nhiên. Tương tự, tại Trường Mẫu giáo Đốc Binh Kiều, qu28 ngày đạt 420 kPa với hàm lượng xi măng 20%.

  2. Khả năng chịu tải trụ đơn và nhóm trụ: Tính toán cho thấy sức chịu tải giới hạn của trụ xi măng đất đơn đạt từ 150 đến 250 kN tùy thuộc chiều dài và đường kính trụ. Khả năng chịu tải của nhóm trụ được cải thiện đáng kể, với hệ số an toàn đề nghị là 2,5. Độ lún tổng cộng của nền gia cố giảm khoảng 40% so với nền đất yếu chưa xử lý.

  3. Hiệu quả thi công và chất lượng trụ đất: Thử nghiệm hiện trường tại các công trình cho thấy công nghệ khoan bơm xi măng đường kính nhỏ phù hợp với điều kiện địa phương, thiết bị thi công nhỏ gọn, dễ vận chuyển. Kiểm tra lõi khoan và thí nghiệm nén tĩnh cọc đơn xác nhận chất lượng trụ đất đạt yêu cầu thiết kế với cường độ ổn định sau 28 ngày.

  4. So sánh với giải pháp truyền thống: So với phương pháp sử dụng cừ tràm và cọc bê tông cốt thép, cọc đất gia cố xi măng giảm chi phí khoảng 25-30%, đồng thời giảm độ lún và tăng độ ổn định công trình. Phương pháp này cũng khắc phục được hạn chế về vận chuyển và thi công tại vùng sâu, vùng xa.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính của sự cải thiện cường độ và khả năng chịu tải là do phản ứng thủy hóa xi măng với đất nền tạo ra các sản phẩm kết dính bền vững, làm tăng liên kết giữa các hạt đất. Kết quả phù hợp với các nghiên cứu quốc tế tại Nhật Bản và Bắc Âu, nơi công nghệ cọc đất xi măng đã được ứng dụng rộng rãi. Việc lựa chọn hàm lượng xi măng từ 15% đến 20% và thời gian bảo dưỡng tối thiểu 28 ngày được khuyến nghị để đạt hiệu quả tối ưu.

Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ mối quan hệ giữa hàm lượng xi măng và cường độ qu theo các ngày tuổi mẫu, cũng như bảng tổng hợp sức chịu tải và độ lún của nền gia cố so với nền tự nhiên. Các kết quả này minh chứng tính khả thi và hiệu quả của phương pháp gia cố nền đất yếu bằng cọc đất xi măng đường kính nhỏ tại khu vực nghiên cứu.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Áp dụng rộng rãi công nghệ cọc đất gia cố xi măng: Khuyến nghị các chủ đầu tư và đơn vị thi công tại Đồng Tháp và các tỉnh Đồng bằng sông Cửu Long áp dụng phương pháp này cho các công trình nhà dân dụng thấp tầng nhằm giảm chi phí và tăng độ bền vững. Thời gian thực hiện trong vòng 1-2 năm để đánh giá mở rộng.

  2. Xây dựng quy trình thi công tiêu chuẩn: Đề xuất xây dựng quy trình thi công chi tiết, bao gồm lựa chọn hàm lượng xi măng, thiết bị khoan bơm phù hợp, kiểm soát chất lượng mẫu và thử nghiệm hiện trường. Chủ thể thực hiện là các đơn vị tư vấn thiết kế và nhà thầu thi công.

  3. Đào tạo và chuyển giao công nghệ: Tổ chức các khóa đào tạo kỹ thuật cho cán bộ kỹ thuật, công nhân thi công về công nghệ trộn xi măng đất, vận hành thiết bị và kiểm soát chất lượng. Thời gian đào tạo dự kiến 6 tháng, do các viện nghiên cứu và trường đại học phối hợp thực hiện.

  4. Nghiên cứu mở rộng và theo dõi lâu dài: Khuyến khích các nghiên cứu tiếp theo mở rộng phạm vi khảo sát sang các vùng đất yếu khác trong Đồng bằng sông Cửu Long, đồng thời thực hiện quan trắc biến dạng và độ lún công trình trong thời gian dài để đánh giá hiệu quả bền vững. Chủ thể thực hiện là các viện nghiên cứu và cơ quan quản lý xây dựng.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Chủ đầu tư xây dựng: Nhóm này sẽ nhận được giải pháp xử lý nền móng hiệu quả, tiết kiệm chi phí và đảm bảo chất lượng công trình, giúp giảm thiểu rủi ro lún sụt và hư hỏng sau thi công.

  2. Đơn vị thiết kế và tư vấn kỹ thuật: Cung cấp cơ sở lý thuyết, mô hình tính toán và dữ liệu thực nghiệm để thiết kế móng phù hợp với điều kiện đất yếu, nâng cao tính chính xác và hiệu quả trong thiết kế.

  3. Nhà thầu thi công: Hướng dẫn quy trình thi công, lựa chọn công nghệ và thiết bị phù hợp, đồng thời cung cấp các tiêu chuẩn kiểm soát chất lượng trong quá trình thi công cọc đất xi măng.

  4. Các cơ quan quản lý và nghiên cứu khoa học: Là tài liệu tham khảo để xây dựng chính sách, tiêu chuẩn kỹ thuật và thúc đẩy ứng dụng công nghệ mới trong lĩnh vực xử lý nền móng tại các vùng đất yếu.

Câu hỏi thường gặp

  1. Cọc đất gia cố xi măng là gì và có ưu điểm gì?
    Cọc đất gia cố xi măng là trụ tròn được tạo thành bằng cách trộn xi măng với đất nền tại chỗ, làm tăng cường độ và ổn định nền đất yếu. Ưu điểm gồm giảm chi phí, thi công nhanh, phù hợp với nhiều loại đất và điều kiện thi công phức tạp.

  2. Hàm lượng xi măng tối ưu để gia cố đất yếu là bao nhiêu?
    Theo kết quả thí nghiệm, hàm lượng xi măng từ 15% đến 20% theo khối lượng đất là tối ưu, giúp tăng cường độ đất lên gấp 3 lần sau 28 ngày bảo dưỡng.

  3. Phương pháp thi công cọc đất xi măng nào phù hợp với vùng Đồng bằng sông Cửu Long?
    Công nghệ khoan bơm xi măng đường kính nhỏ (CDM hoặc Dry Jet Mixing) được đánh giá phù hợp do thiết bị nhỏ gọn, dễ vận chuyển và thi công trong điều kiện địa hình phức tạp.

  4. Khả năng chịu tải của cọc đất xi măng so với cọc bê tông cốt thép như thế nào?
    Cọc đất xi măng có khả năng chịu tải tốt, đặc biệt khi bố trí nhóm cọc hợp lý, đồng thời giảm được độ lún và chi phí so với cọc bê tông cốt thép, phù hợp với công trình thấp tầng.

  5. Có thể áp dụng phương pháp này cho các công trình cao tầng không?
    Nghiên cứu tập trung vào nhà dân dụng thấp tầng tối đa 3 tầng. Với công trình cao tầng, cần nghiên cứu thêm về thiết kế và tính toán chịu lực phù hợp, do yêu cầu tải trọng lớn hơn.

Kết luận

  • Nghiên cứu đã chứng minh hiệu quả kỹ thuật và kinh tế của phương pháp gia cố nền đất yếu bằng cọc đất gia cố xi măng đường kính nhỏ tại huyện Tháp Mười, tỉnh Đồng Tháp.
  • Cường độ đất gia cố tăng gấp 3 lần so với đất tự nhiên, khả năng chịu tải và độ ổn định nền được cải thiện rõ rệt.
  • Công nghệ thi công phù hợp với điều kiện địa phương, thiết bị nhỏ gọn, dễ vận chuyển và kiểm soát chất lượng tốt.
  • Phương pháp này giúp giảm chi phí xử lý nền móng khoảng 25-30% so với giải pháp truyền thống, đồng thời giảm độ lún công trình.
  • Đề xuất mở rộng ứng dụng và nghiên cứu theo dõi lâu dài để nâng cao tính bền vững và hiệu quả trong thực tiễn xây dựng.

Hành động tiếp theo: Các bên liên quan nên phối hợp triển khai áp dụng công nghệ này trong các dự án xây dựng tại vùng đất yếu, đồng thời tổ chức đào tạo và nghiên cứu mở rộng để hoàn thiện quy trình và tiêu chuẩn kỹ thuật.