Tổng quan nghiên cứu

Trong bối cảnh phát triển kinh tế xã hội và các chương trình an sinh xã hội tại Việt Nam, đặc biệt là tại tỉnh Đồng Tháp, nhu cầu xây dựng các công trình dân dụng tại vùng đất yếu ngày càng tăng. Theo báo cáo địa chất, nhiều khu vực như huyện Tháp Mười, Châu Thành, Lai Vung có lớp đất yếu dày từ 20 đến 30m với chỉ số SPT gần bằng 0, góc ma sát trong trung bình khoảng 3 độ và lực dính rất thấp, dẫn đến sức chịu tải nền móng rất hạn chế. Các giải pháp truyền thống như sử dụng cừ tràm hay cọc bê tông cốt thép đang bộc lộ nhiều hạn chế về chi phí, độ ổn định và khả năng chịu tải lâu dài. Cừ tràm có chiều dài giới hạn, yêu cầu ngập trong mực nước ngầm, dễ gây lún lớn và biến dạng theo thời gian; trong khi cọc bê tông cốt thép có chi phí cao, khó thi công ở vùng sâu, vùng xa và không tận dụng được khả năng chịu tải của nền đất yếu.

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, áp dụng cho nhà dân dụng thấp tầng 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 thực tế xây dựng trên nền đất yếu tại huyện Tháp Mười, với thời gian nghiên cứu từ năm 2018 đến 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 Đồng bằng sông Cửu Long, góp phần nâng cao chất lượng và độ bền vững của các công trình dân dụng tại vùng 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 (soil-cement columns) được phát triển từ những năm 1960 tại Thụy Điển và Nhật Bản. Phương pháp này cải thiện đặc tính cơ lý của đất yếu thông qua phản ứng hóa học giữa xi măng và đất, tạo ra các sản phẩm hydrat hóa như calcium silicate hydrate (CSH) và calcium aluminate hydrate (CAH), làm tăng cường độ kháng cắt, giảm nén lún và tăng độ ổn định nền móng.

Hai lý thuyết chính được áp dụng gồm:

  1. Lý thuyết phản ứng pozzolan: Mô tả quá trình thủy hóa xi măng và phản ứng với các khoáng vật trong đất để tạo thành các sản phẩm không hòa tan, làm tăng cường độ và độ bền của hỗn hợp đất-xi măng theo thời gian.

  2. Mô hình tính toán sức chịu tải và độ lún của cọc đất xi măng: Bao gồm tính toán sức chịu tải giới hạn của cọc đơn và nhóm cọc dựa trên độ bền cắt không thoát nước của đất nền và vật liệu cọc, cùng với mô hình phân bố ứng suất và tính toán độ lún tổng hợp của nền gia cố.

Các khái niệm chính trong nghiên cứu gồm: cọc đất gia cố xi măng, sức chịu tải cọc đơn và nhóm cọc, độ lún nền gia cố, phản ứng thủy hóa xi măng, mô đun đàn hồi, hệ số nén và hệ số Poisson của đất xi măng.

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu sử dụng phương pháp kết hợp giữa lý thuyết, thí nghiệm trong phòng và thử nghiệm hiện trường. Cỡ mẫu thí nghiệm gồm khoảng 100 mẫu đất được chế tạo với các hàm lượng xi măng khác nhau (5%, 10%, 15%, 20%) và được bảo dưỡng trong các thời gian 14, 28, 56, 90 ngày để đánh giá sự biến đổi chỉ tiêu cơ lý.

Phương pháp chọn mẫu là lấy mẫu đất yếu tại các công trình thực tế ở huyện Tháp Mười, sau đó chế tạo mẫu trộn xi măng theo quy trình chuẩn. Phân tích dữ liệu sử dụng các phương pháp thống kê mô tả, phân tích quan hệ hàm lượng xi măng - cường độ nén đơn trục, và mô hình tính toán sức chịu tải, độ lún theo tiêu chuẩn TCVN 9403:2012.

Timeline nghiên cứu kéo dài từ tháng 1/2018 đến tháng 9/2019, bao gồm các giai đoạn khảo sát địa chất, thí nghiệm phòng, thi công thử nghiệm hiện trường và phân tích kết quả.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Tăng cường độ nén đơn trục theo hàm lượng xi măng: Kết quả thí nghiệm cho thấy cường độ nén đơn trục của mẫu đất trộn xi măng tăng rõ rệt theo hàm lượng xi măng và thời gian bảo dưỡng. Ví dụ, mẫu với 15% xi măng sau 28 ngày có cường độ nén tăng gấp 3 lần so với đất tự nhiên, đạt khoảng 450 kPa. Mẫu 20% xi măng sau 90 ngày đạt cường độ lên đến 700 kPa, tăng khoảng 250% so với mẫu 14 ngày.

  2. Khả năng chịu tải cọc đơn và nhóm cọc: Tính toán sức chịu tải giới hạn của cọc đất xi măng đơn với đường kính 0,6m và chiều dài 6m cho thấy khả năng chịu tải đạt khoảng 150 kN, tăng 40% so với đất nền chưa gia cố. Nhóm cọc bố trí theo lưới ô vuông với khoảng cách 1,2m có sức chịu tải tổng cộng tăng lên đến 600 kN, tương đương tăng 50% so với nền đất tự nhiên.

  3. Độ lún nền giảm đáng kể sau gia cố: Độ lún tổng cộng của nền đất yếu được gia cố bằng cọc đất xi măng giảm từ khoảng 150 mm xuống còn dưới 50 mm sau 90 ngày thi công, giảm hơn 65% so với nền chưa xử lý. Độ lún này phù hợp với yêu cầu kỹ thuật cho nhà dân dụng thấp tầng.

  4. Hiệu quả thi công và chất lượng cọc hiện trường: Thí nghiệm khoan lấy lõi và nén tĩnh cọc tại hiện trường cho thấy cường độ mẫu lõi đạt trung bình 400 kPa, tương đương 85% so với mẫu phòng thí nghiệm, chứng tỏ quy trình thi công đảm bảo chất lượng và đồng nhất.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính của sự cải thiện là do phản ứng thủy hóa xi măng tạo ra các sản phẩm hydrat hóa liên kết các hạt đất, làm tăng cường độ và giảm độ rỗng. So với các nghiên cứu trước đây tại Nhật Bản và Thụy Điển, kết quả tương đồng về xu hướng tăng cường độ theo hàm lượng xi măng và thời gian bảo dưỡng, tuy nhiên giá trị cường độ tại Đồng Tháp thấp hơn do đặc điểm đất sét có hàm lượng hữu cơ cao và pH thấp.

Việc giảm độ lún nền góp phần nâng cao độ ổn định công trình, giảm thiểu hiện tượng lún không đều và nứt nẻ móng. So với phương pháp cừ tràm truyền thống, cọc đất xi măng có ưu điểm vượt trội về khả năng chịu tải và độ bền lâu dài, đồng thời tiết kiệm chi phí vận chuyển và thi công.

Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ mối quan hệ hàm lượng xi măng - cường độ nén đơn trục, bảng tổng hợp sức chịu tải cọc đơn và nhóm cọc, cùng biểu đồ so sánh độ lún nền trước và sau gia cố.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Áp dụng rộng rãi công nghệ cọc đất gia cố xi măng đường kính nhỏ cho các công trình nhà dân dụng thấp tầng tại vùng đất yếu Đồng bằng sông Cửu Long, nhằm giảm chi phí và tăng độ ổn định nền móng. Thời gian thực hiện: 1-3 năm; Chủ thể: các chủ đầu tư và đơn vị thi công.

  2. Xây dựng quy trình thi công tiêu chuẩn phù hợp với điều kiện địa phương, bao gồm kiểm soát hàm lượng xi măng, tốc độ khoan, và bảo dưỡng mẫu để đảm bảo chất lượng cọc. Thời gian: 6-12 tháng; Chủ thể: các cơ quan quản lý xây dựng và nhà thầu.

  3. Đào tạo kỹ thuật viên và cán bộ giám sát thi công về công nghệ trộn khô và trộn ướt xi măng đất, nâng cao năng lực thi công và kiểm soát chất lượng. Thời gian: 12 tháng; Chủ thể: các trường đại học, viện nghiên cứu và doanh nghiệp xây dựng.

  4. Thực hiện các nghiên cứu mở rộng về ứng dụng cọc đất xi măng cho công trình công nghiệp và hạ tầng giao thông tại các vùng đất yếu khác trong khu vực Đồng bằng sông Cửu Long. Thời gian: 2-3 năm; Chủ thể: các viện nghiên cứu và trường đại học.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Chủ đầu tư xây dựng: Nắm bắt giải pháp xử lý nền móng hiệu quả, tiết kiệm chi phí, giảm thiểu rủi ro lún nền, từ đó đưa ra quyết định đầu tư hợp lý.

  2. Đơn vị thiết kế và tư vấn xây dựng: Áp dụng các mô hình tính toán và phương pháp gia cố nền đất yếu phù hợp với điều kiện địa phương, nâng cao chất lượng thiết kế.

  3. Nhà thầu thi công: Hiểu rõ quy trình thi công cọc đất xi măng, kiểm soát chất lượng vật liệu và thi công để đảm bảo hiệu quả công trình.

  4. Các nhà nghiên cứu và sinh viên ngành kỹ thuật xây dựng: Tham khảo cơ sở lý thuyết, phương pháp thí nghiệm và kết quả thực nghiệm để phát triển nghiên cứu sâu hơn về công nghệ gia cố nền đất yếu.

Câu hỏi thường gặp

  1. Cọc đất gia cố xi măng là gì?
    Cọc đất gia cố xi măng là cọc tròn được tạo thành bằng cách trộn xi măng với đất nền tại chỗ, tạo thành khối đất cứng chắc hơn, tăng khả năng chịu tải và giảm độ lún của nền đất yếu.

  2. Phương pháp thi công cọc đất xi măng có những công nghệ nào?
    Có ba công nghệ chính: Jet-Grouting (khoan phụt vữa cao áp), trộn ướt (Cement Depth Method - CDM) và trộn khô (Dry Jet Mixing). Mỗi công nghệ phù hợp với điều kiện đất và yêu cầu công trình khác nhau.

  3. Hàm lượng xi măng tối ưu để gia cố đất yếu là bao nhiêu?
    Theo kết quả nghiên cứu, hàm lượng xi măng từ 15% đến 20% theo khối lượng đất là tối ưu, đảm bảo tăng cường độ và độ bền của cọc đất xi măng sau 28 đến 90 ngày bảo dưỡng.

  4. Cọc đất xi măng có thể áp dụng cho loại đất nào?
    Phương pháp này phù hợp với hầu hết các loại đất, đặc biệt là đất sét, đất bùn và đất pha cát có độ ẩm cao và chỉ số dẻo lớn, tuy nhiên hiệu quả giảm khi đất chứa nhiều vật chất hữu cơ hoặc pH thấp.

  5. Lợi ích kinh tế khi sử dụng cọc đất xi măng so với cọc bê tông cốt thép?
    Cọc đất xi măng có chi phí thấp hơn do tận dụng đất tại chỗ, giảm chi phí vận chuyển vật liệu, thi công nhanh và phù hợp với điều kiện địa phương, đồng thời giảm thiểu độ lún và tăng tuổi thọ công trình.

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 nén đơn trục của đất gia cố tăng gấp 3-4 lần so với đất tự nhiên, độ lún nền giảm hơn 65%, đảm bảo ổn định công trình dân dụng thấp tầng.
  • Quy trình thi công và thí nghiệm hiện trường cho thấy chất lượng cọc đồng nhất, phù hợp với điều kiện thi công tại Đồng bằng sông Cửu Long.
  • Đề xuất áp dụng rộng rãi công nghệ này cho các công trình xây dựng tại vùng đất yếu nhằm tiết kiệm chi phí và nâng cao độ bền vững.
  • Các bước tiếp theo bao gồm đào tạo nhân lực, hoàn thiện quy trình thi công và mở rộng nghiên cứu ứng dụng cho các loại công trình khác.

Hành động ngay: Các chủ đầu tư và đơn vị thi công nên xem xét áp dụng công nghệ cọc đất xi măng để nâng cao hiệu quả xử lý nền móng, đồng thời phối hợp với các viện nghiên cứu để cập nhật kỹ thuật mới nhất.