Tổng quan nghiên cứu

Trong bối cảnh phát triển hạ tầng giao thông tại Việt Nam, việc gia cố nền đất yếu bằng cọc đất xi măng hỗn hợp ngày càng được ứng dụng rộng rãi. Tại thành phố Cần Thơ, dự án đường Mậu Thân - sân bay Trà Nóc là một trong những công trình giao thông đầu tiên áp dụng công nghệ cọc đất xi măng hỗn hợp để gia cố nền đất yếu. Diện tích gia cố tập trung tại đoạn đường dẫn lên bãi đỗ Binh Thuy II với chiều dài khoảng 50m. Mục tiêu nghiên cứu của luận văn là phân tích, tổng hợp và đánh giá các kết quả thí nghiệm thực tế từ dự án này nhằm: xác định sự khác biệt về cường độ giữa mẫu đất xi măng làm tại phòng thí nghiệm và mẫu lấy từ công trường; đánh giá ảnh hưởng của phương pháp trộn và hàm lượng xi măng đến cường độ đất xi măng; so sánh các phương pháp xác định tải trọng cọc đơn và nhóm cọc; phân tích hệ số nhóm cọc qua mô hình phần tử hữu hạn; và đánh giá sự khác biệt giữa phương pháp phân tích lún và kết quả quan trắc thực tế. Nghiên cứu được thực hiện trong giai đoạn từ năm 2013 đến 2018 tại khu vực dự án, mang lại cơ sở dữ liệu quan trọng cho các dự án tương lai trong việc lựa chọn thiết kế và tính toán gia cố nền đất yếu bằng cọc đất xi măng.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên các lý thuyết và mô hình cơ bản trong kỹ thuật địa kỹ thuật và cơ học đất, bao gồm:

  • Lý thuyết cường độ đất xi măng: Đánh giá cường độ chịu nén đơn trục của đất xi măng, ảnh hưởng bởi hàm lượng xi măng và phương pháp trộn.
  • Mô hình tải trọng cọc đơn và nhóm cọc: Sử dụng các công thức tính tải trọng cọc theo tiêu chuẩn DBJ 08-40 và mô hình Bergado, trong đó tải trọng cọc đơn được tính bằng tổng tải trọng chịu cường độ đất và tải trọng ma sát bên.
  • Phân tích lún nền đất: Áp dụng phương pháp phân tích lún tổng hợp giữa lún đàn hồi và lún nén lún theo mô hình phần tử hữu hạn, so sánh với kết quả quan trắc thực tế.
  • Khái niệm hệ số nhóm cọc: Xác định hệ số nhóm thông qua phân tích phần tử hữu hạn, phản ánh sự tương tác giữa các cọc trong nhóm.

Các khái niệm chính bao gồm: cường độ chịu nén đơn trục (fcu), tải trọng cọc đơn (Qult,col), tải trọng nhóm cọc (Qult,group), hệ số nhóm cọc (Kb), và lún nền đất (S).

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu chính được thu thập từ dự án đường Mậu Thân - sân bay Trà Nóc, bao gồm mẫu đất xi măng lấy tại công trường và mẫu chuẩn trong phòng thí nghiệm, kết quả thí nghiệm nén đơn trục, thử tải tĩnh cọc đơn và nhóm cọc, cùng số liệu quan trắc lún nền trong quá trình thi công.

Phương pháp phân tích bao gồm:

  • So sánh cường độ đất xi măng giữa mẫu phòng thí nghiệm và mẫu công trường.
  • Phân tích ảnh hưởng của hàm lượng xi măng và phương pháp trộn đến cường độ đất.
  • Tính toán tải trọng cọc đơn và nhóm cọc theo các phương pháp tiêu chuẩn và mô hình Bergado.
  • Mô phỏng tương tác nhóm cọc và xác định hệ số nhóm bằng phần mềm mô hình phần tử hữu hạn Plaxis 3D Foundation.
  • Đánh giá sự khác biệt giữa phân tích lún nền bằng mô hình phần tử hữu hạn và kết quả quan trắc thực tế.

Cỡ mẫu thí nghiệm gồm khoảng 50 mẫu đất xi măng và 30 thử tải cọc đơn, được chọn ngẫu nhiên tại các vị trí đại diện trong khu vực dự án. Thời gian nghiên cứu kéo dài từ năm 2013 đến 2018, đảm bảo thu thập đủ dữ liệu thực tế và kết quả phân tích.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Sự khác biệt về cường độ đất xi măng giữa mẫu phòng thí nghiệm và mẫu công trường: Mẫu đất xi măng lấy tại công trường có cường độ trung bình khoảng 75% so với mẫu làm tại phòng thí nghiệm, với giá trị cường độ trung bình đạt 1.2 MPa so với 1.6 MPa của mẫu phòng thí nghiệm.

  2. Ảnh hưởng của hàm lượng xi măng và phương pháp trộn: Tăng hàm lượng xi măng từ 8% lên 12% làm tăng cường độ đất xi măng lên khoảng 30%. Phương pháp trộn ướt cho kết quả cường độ cao hơn phương pháp trộn khô khoảng 15%.

  3. So sánh các phương pháp xác định tải trọng cọc đơn: Tải trọng cọc đơn tính theo tiêu chuẩn DBJ 08-40 thấp hơn khoảng 10-15% so với mô hình Bergado. Kết quả thử tải tĩnh cọc đơn cho thấy tải trọng phá hoại trung bình đạt 250 kN, phù hợp với tính toán mô hình Bergado.

  4. Tính toán tải trọng nhóm cọc và hệ số nhóm: Hệ số nhóm cọc xác định qua mô hình phần tử hữu hạn dao động trong khoảng 0.7 đến 0.85, phản ánh sự giảm tải trọng do tương tác giữa các cọc. Tải trọng nhóm cọc tính toán thấp hơn khoảng 20% so với tổng tải trọng cọc đơn cộng lại.

  5. Phân tích lún nền đất: Mô hình phần tử hữu hạn dự báo lún nền trung bình khoảng 15 cm, trong khi kết quả quan trắc thực tế ghi nhận lún trung bình 13 cm, sai số dưới 15%, cho thấy độ tin cậy cao của mô hình.

Thảo luận kết quả

Sự khác biệt về cường độ đất xi măng giữa mẫu phòng thí nghiệm và công trường chủ yếu do điều kiện thi công và phương pháp trộn tại hiện trường không đồng đều, dẫn đến phân bố xi măng không đồng nhất. Kết quả này tương đồng với các nghiên cứu trong ngành cho thấy cường độ thực tế thường thấp hơn mẫu chuẩn từ 20-30%.

Ảnh hưởng tích cực của hàm lượng xi măng và phương pháp trộn ướt được giải thích bởi khả năng phân tán xi măng tốt hơn, tăng cường liên kết hạt đất. So sánh các phương pháp tính tải trọng cọc cho thấy mô hình Bergado phù hợp hơn với điều kiện thực tế tại Cần Thơ, do tính đến ma sát bên và điều kiện địa chất đặc thù.

Hệ số nhóm cọc dưới 1 phản ánh sự tương tác tiêu cực giữa các cọc trong nhóm, làm giảm hiệu quả tải trọng tổng thể. Kết quả phân tích lún nền đất bằng mô hình phần tử hữu hạn phù hợp với quan trắc thực tế, chứng tỏ phương pháp này có thể ứng dụng rộng rãi trong thiết kế và giám sát công trình.

Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ so sánh cường độ đất xi măng giữa các mẫu, bảng tổng hợp tải trọng cọc đơn và nhóm, cùng biểu đồ lún nền dự báo và thực tế để minh họa trực quan.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Tối ưu hóa phương pháp trộn tại công trường: Áp dụng phương pháp trộn ướt đồng đều, kiểm soát chặt chẽ hàm lượng xi măng nhằm nâng cao cường độ đất xi măng, giảm sai số so với mẫu phòng thí nghiệm. Thời gian thực hiện: ngay trong các dự án tiếp theo. Chủ thể: nhà thầu thi công và tư vấn giám sát.

  2. Ưu tiên sử dụng mô hình Bergado trong tính toán tải trọng cọc: Do phù hợp với điều kiện địa chất và kết quả thử tải thực tế, mô hình này giúp thiết kế chính xác hơn, tránh dư thừa vật liệu. Thời gian áp dụng: từ giai đoạn thiết kế dự án. Chủ thể: các đơn vị tư vấn thiết kế.

  3. Áp dụng mô hình phần tử hữu hạn để phân tích lún nền đất: Kết hợp với quan trắc thực tế để điều chỉnh thiết kế và giám sát thi công, đảm bảo an toàn và hiệu quả công trình. Thời gian: trong quá trình thiết kế và thi công. Chủ thể: tư vấn thiết kế và giám sát.

  4. Xác định hệ số nhóm cọc chính xác qua mô phỏng số: Giúp tối ưu bố trí cọc, giảm chi phí và tăng hiệu quả gia cố. Thời gian: trong giai đoạn thiết kế chi tiết. Chủ thể: tư vấn thiết kế.

  5. Xây dựng cơ sở dữ liệu thực nghiệm và quan trắc: Thu thập và tổng hợp dữ liệu từ nhiều dự án để nâng cao độ tin cậy trong tính toán và thiết kế. Thời gian: liên tục trong các dự án. Chủ thể: các viện nghiên cứu và cơ quan quản lý xây dựng.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Các kỹ sư thiết kế công trình giao thông và xây dựng: Nghiên cứu cung cấp cơ sở khoa học để lựa chọn phương pháp gia cố nền đất yếu bằng cọc đất xi măng phù hợp với điều kiện địa phương.

  2. Nhà thầu thi công và giám sát công trình: Hiểu rõ ảnh hưởng của phương pháp thi công và hàm lượng xi măng đến chất lượng công trình, từ đó nâng cao hiệu quả thi công và kiểm soát chất lượng.

  3. Các nhà nghiên cứu và sinh viên ngành địa kỹ thuật: Tài liệu tham khảo quý giá về ứng dụng mô hình phần tử hữu hạn trong phân tích tải trọng và lún nền đất, cũng như các phương pháp thử nghiệm thực tế.

  4. Cơ quan quản lý và ban quản lý dự án: Cung cấp thông tin để đánh giá hiệu quả công nghệ gia cố nền đất xi măng, hỗ trợ ra quyết định đầu tư và giám sát thi công.

Câu hỏi thường gặp

  1. Tại sao cường độ đất xi măng tại công trường thấp hơn mẫu phòng thí nghiệm?
    Do điều kiện thi công thực tế không đồng đều, phương pháp trộn và phân bố xi măng không đồng nhất, dẫn đến giảm cường độ so với mẫu chuẩn trong phòng thí nghiệm.

  2. Hàm lượng xi măng ảnh hưởng thế nào đến cường độ đất?
    Tăng hàm lượng xi măng từ 8% lên 12% có thể làm tăng cường độ đất xi măng lên khoảng 30%, cải thiện khả năng chịu lực của nền đất.

  3. Phương pháp tính tải trọng cọc nào phù hợp với điều kiện tại Cần Thơ?
    Mô hình Bergado được đánh giá phù hợp hơn do tính đến ma sát bên và điều kiện địa chất đặc thù, kết quả thử tải tĩnh cũng tương đồng với mô hình này.

  4. Hệ số nhóm cọc là gì và tại sao quan trọng?
    Hệ số nhóm cọc phản ánh sự tương tác giữa các cọc trong nhóm, ảnh hưởng đến tải trọng tổng thể. Xác định chính xác giúp tối ưu thiết kế và tiết kiệm chi phí.

  5. Mô hình phần tử hữu hạn có thể dự báo lún nền đất chính xác không?
    Kết quả mô hình phần tử hữu hạn cho sai số dưới 15% so với quan trắc thực tế, chứng tỏ đây là công cụ hiệu quả để phân tích và dự báo lún nền đất.

Kết luận

  • Đã xác định được sự khác biệt rõ rệt về cường độ đất xi măng giữa mẫu phòng thí nghiệm và công trường, ảnh hưởng bởi phương pháp trộn và hàm lượng xi măng.
  • Mô hình Bergado phù hợp hơn trong tính toán tải trọng cọc đơn tại điều kiện địa chất Cần Thơ.
  • Hệ số nhóm cọc dao động từ 0.7 đến 0.85, phản ánh tương tác tiêu cực giữa các cọc trong nhóm.
  • Phân tích lún nền đất bằng mô hình phần tử hữu hạn cho kết quả gần với quan trắc thực tế, có thể ứng dụng trong thiết kế và giám sát.
  • Kết quả nghiên cứu cung cấp cơ sở khoa học và dữ liệu thực tế quan trọng cho các dự án gia cố nền đất yếu bằng cọc đất xi măng tại Việt Nam.

Next steps: Áp dụng các đề xuất trong các dự án tiếp theo, mở rộng nghiên cứu với các công trình khác để hoàn thiện cơ sở dữ liệu và nâng cao độ chính xác tính toán.

Call to action: Các đơn vị tư vấn, thi công và quản lý dự án nên phối hợp chặt chẽ để áp dụng kết quả nghiên cứu, đảm bảo hiệu quả và an toàn công trình.