Tổng quan nghiên cứu

Khu vực Đồng bằng sông Cửu Long có địa chất trầm tích trẻ với tầng bùn sét mềm yếu phân bố dày đặc, đặt ra thách thức lớn đối với hạ tầng giao thông. Tại Dự án mở rộng Quốc lộ 1 đoạn Cần Thơ – Phụng Hiệp có tổng chiều dài hơn 21 km từ Km2078+317 đến Km2100+000, lớp đất bùn sét yếu có bề dày từ 13,9 m đến 15,7 m với sức kháng nén đơn chỉ đạt 0,25 kG/cm2 và hệ số rỗng ban đầu lên tới 1,849. Nếu đắp trực tiếp nền đường cao khoảng 3,5 m tại các vị trí tiếp giáp mố cầu, độ lún cố kết tự nhiên dự báo vượt mức 1,87 m và thời gian cố kết kéo dài nhiều năm, tiềm ẩn nguy cơ xuất hiện hiện tượng lún chênh lệch và tạo bậc nghiêm trọng ở đoạn tiếp giáp giữa nền đắp và mố cầu cứng.

Nghiên cứu được thực hiện nhằm đánh giá toàn diện tính khả thi kỹ thuật và hiệu quả kinh tế của giải pháp cọc đất gia cố xi măng (Cement Deep Mixing - CDM) để xử lý nền đường đầu cầu, điển hình tại khu vực cầu Đất Sét tại Km2084+021 thuộc tỉnh Hậu Giang trong giai đoạn 2014 - 2017. Phạm vi khảo sát tập trung xử lý khoảng 45 m sau mố M1 và 51,33 m sau mố M2 với kết cấu cọc đường kính D800 mm, chiều sâu xử lý từ 17,5 m đến 18,0 m.

Kết quả đề tài mang ý nghĩa quan trọng khi chứng minh phương án cọc đất xi măng giúp rút ngắn thời gian thi công từ 12 tháng xuống còn 3 tháng, đồng thời kiểm soát độ lún dư sau xử lý dưới mức 6,94 cm, đáp ứng triệt để tiêu chuẩn khai thác đường cấp III đồng bằng với tốc độ thiết kế 80 km/h.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu ứng dụng lý thuyết cố kết thấm phi tuyến của Terzaghi kết hợp mô hình tương tác cọc - đất nền đàn dẻo của Broms, Boman và Bergado. Cơ chế gia cường nền dựa trên phản ứng thủy hóa của các khoáng vật clinker xi măng gồm tricalcium silicate (3CaO.SiO2) và dicalcium silicate (2CaO.SiO2) khi trộn sâu dưới lòng đất. Phản ứng này tạo ra các hợp chất ngậm nước canxi silicat hydrat (C-S-H) và canxi hydroxit Ca(OH)2, làm thay đổi cấu trúc rỗng và chuyển hóa đất bùn từ trạng thái chảy dẻo sang thể rắn kết tinh có cường độ cao.

Các khái niệm then chốt được xây dựng theo tiêu chuẩn TCVN 9403:2012 và quy trình 22TCN 262-2000, bao gồm: tỷ diện thay thế của cọc trong khối đất gia cố (ký hiệu a), mô đun biến dạng tương đương của nền hỗn hợp, hiệu ứng vòm ứng suất truyền tải trọng và sức kháng cắt không thoát nước Su. Tỷ số hệ số thấm giữa vật liệu cọc và đất tự nhiên được xác định ở mức khoảng 100 lần, cho phép cọc vừa đóng vai trò trụ chịu lực vừa hỗ trợ tiêu tán áp lực nước lỗ rỗng theo phương đứng với hệ số cố kết ngang ch bằng 2 lần hệ số cố kết đứng cv.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu của luận văn được thu thập từ hệ thống 07 lỗ khoan khảo sát địa chất công trình sâu đến 45 m tại vị trí mố, trụ và đường đầu cầu Đất Sét, kết hợp số liệu mực nước thiết kế với tần suất lũ 1% đạt mức +2,09 m. Cỡ mẫu nghiên cứu gồm 45 mẫu chế bị trong phòng thí nghiệm với các tỷ lệ xi măng từ 150 kg/m3 đến 250 kg/m3 và 12 mẫu khoan lõi nguyên dạng từ cọc thi công thử tại hiện trường ở tuổi 7 ngày và 28 ngày, cùng 03 tổ hợp cọc thí nghiệm nén tĩnh hiện trường.

Phương pháp chọn mẫu tuân thủ nguyên tắc lấy mẫu nguyên dạng phân tầng theo chiều sâu địa tầng để xác định chính xác các chỉ tiêu cơ lý như giới hạn chảy LL đạt 65,3%, chỉ số dẻo PI đạt 34,7% và chỉ số nén lún. Phương pháp phân tích kết hợp giữa giải tích lý thuyết phân tầng cộng lún với mô phỏng phần tử hữu hạn trên phần mềm chuyên dụng Plaxis 8.5 và GeoStudio 2007. Việc lựa chọn công cụ số học này cho phép mô phỏng chính xác trường chuyển vị không gian 2D, sự hình thành mặt trượt cung tròn và đánh giá chính xác hệ số an toàn ổn định tổng thể trong suốt vòng đời dự án kéo dài từ 2014 đến 2017.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Quá trình phân tích thực nghiệm và kiểm toán mô hình số mang lại bốn phát hiện then chốt:

Thứ nhất, giải pháp cọc đất gia cố xi măng D800 mm chiều dài 17,5 m cự ly 1,6 m giúp khống chế độ lún dư của nền đường đầu cầu sau thời gian thi công 3 tháng chỉ còn 6,94 cm. Kết quả này thấp hơn 13,25% so với giải pháp giếng cát kết hợp đắp gia tải trước (lún dư 8,00 cm) và giảm hơn 92% so với mức lún cố kết tự nhiên không xử lý (87 cm).

Thứ hai, thời gian xử lý nền được rút ngắn vượt bậc từ 12 tháng xuống còn đúng 3 tháng, tương đương mức giảm 75% thời gian thi công chờ lún. Sự cải thiện này giải quyết triệt để nút thắt tiến độ hoàn thành toàn bộ dự án vào tháng 7/2015 theo yêu cầu của Bộ Giao thông Vận tải.

Thứ ba, hệ số an toàn ổn định trượt tổng thể của mái dốc nền đường đầu cầu tăng vọt lên mức 4,715 khi kiểm toán bằng GeoStudio 2007. Giá trị này cao hơn 146% so với giải pháp giếng cát truyền thống (chỉ đạt hệ số an toàn 1,915), đảm bảo an toàn tuyệt đối cho kết cấu tường chắn bê tông cốt thép và đường gom dân sinh bên trái tuyến.

Thứ tư, thí nghiệm nén nở hông tự do qu của mẫu khoan lõi tại hiện trường ở tuổi 28 ngày đạt cường độ từ 1,25 MPa đến 2,46 MPa, hoàn toàn đáp ứng yêu cầu chịu lực với tải trọng trục thiết kế HL93 và tải trọng người đi bộ 3x10^-3 MPa.

Thảo luận kết quả

Hiệu quả giảm lún vượt trội của cọc xi măng đất bắt nguồn từ sự phân chia lại ứng suất thông qua hiệu ứng vòm. Khi tải trọng đắp cao 3,5 m tác dụng lên bề mặt, phần lớn ứng suất tập trung truyền vào thân cọc có mô đun biến dạng cao, trong khi phần đất yếu giữa các cọc chỉ tiếp nhận một phần áp lực nhỏ. Khối cọc và đất gia cố hoạt động như một khối móng bè hỗn hợp bán cứng, truyền tải trọng xuống lớp sét dẻo cứng số 2a có chỉ số SPT từ 8 đến 23 búa.

Dữ liệu nghiên cứu được biểu diễn trực quan qua bảng so sánh chỉ tiêu kỹ thuật giữa các giải pháp và biểu đồ quan hệ tải trọng - chuyển vị (P-S) từ thí nghiệm nén tĩnh cọc DSM2-3. Trên biểu đồ quan hệ chuyển vị theo chiều sâu của Plaxis, đường cong biến dạng chuyển vị giảm dần từ đỉnh cọc xuống mũi cọc, cho thấy độ lún cục bộ của bản thân khối gia cố chỉ chiếm 5,23 cm và lún lớp đất dưới mũi cọc là 5,42 cm.

So với giải pháp sàn giảm tải đặt trên móng cọc bê tông cốt thép 35x35 cm dài 36 m vốn có chi phí xây lắp rất cao, cọc đất gia cố xi măng giúp tiết kiệm khoảng 18% đến 25% tổng mức đầu tư tại các phân đoạn chuyển tiếp mà vẫn đảm bảo độ êm thuận cho phương tiện lưu thông ở vận tốc 80 km/h.

Đề xuất và khuyến nghị

Nhằm nâng cao hiệu quả kỹ thuật và tối ưu hóa chi phí đầu tư cho các dự án mở rộng quốc lộ trên nền đất yếu, bốn giải pháp cụ thể được đề xuất:

Thứ nhất, tối ưu hóa kích thước hình học cọc bằng việc áp dụng đường kính cọc D800 mm với khoảng cách bố trí linh hoạt từ 1,6 m đến 1,8 m theo dạng lưới hoa mai tam giác đều. Giải pháp này giúp giảm khoảng 8% đến 12% khối lượng xi măng sử dụng trên mỗi mét dài đường đầu cầu mà vẫn duy trì hệ số an toàn ổn định trên 3,0 trong giai đoạn thiết kế bản vẽ thi công.

Thứ hai, chuẩn hóa quy trình thi công trộn ướt với tỷ lệ nước trên xi măng (N/X) kiểm soát nghiêm ngặt trong khoảng 0,8 đến 1,0 và hàm lượng xi măng định mức từ 180 kg/m3 đến 200 kg/m3. Đơn vị nhà thầu cần duy trì tốc độ kéo rút đầu khoan ổn định từ 0,5 m/phút đến 0,8 m/phút và áp lực phun vữa trên 0,5 MPa nhằm đảm bảo độ đồng nhất tuyệt đối cho thân cọc.

Thứ ba, thiết lập hệ thống quan trắc tự động độ lún và độ dịch ngang bằng mốc đo sâu inclinometer với chu kỳ đo 7 ngày một lần trong suốt 6 tháng đầu khai thác. Ban quản lý dự án cần theo dõi sát sao để phát hiện sớm các biến dạng cục bộ vượt quá ngưỡng cho phép 5 mm/tháng.

Thứ tư, kiến nghị Bộ Giao thông Vận tải và các viện chuyên ngành cập nhật quy trình tính toán thiết kế cọc xi măng đất vào tiêu chuẩn ngành trong vòng 12 tháng tới, bổ sung các hướng dẫn chi tiết về tương tác cọc - mố cầu tại khu vực địa chất đặc thù Đồng bằng sông Cửu Long.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

Nội dung luận văn mang lại giá trị học thuật và thực tiễn sâu rộng cho bốn nhóm đối tượng:

Nhóm thứ nhất là kỹ sư thiết kế công trình giao thông và địa kỹ thuật. Công trình cung cấp quy trình tính toán hoàn chỉnh từ lý thuyết giải tích đến mô phỏng số 2D trên Plaxis, hỗ trợ trực tiếp việc thiết kế đoạn chuyển tiếp đường đầu cầu tránh hiện tượng tạo bậc mố cầu.

Nhóm thứ hai là các chủ đầu tư, ban quản lý dự án và doanh nghiệp đầu tư BOT hạ tầng. Luận văn cung cấp luận cứ kinh tế - kỹ thuật rõ ràng để lựa chọn giải pháp xử lý nền đất yếu giúp rút ngắn 75% tiến độ thi công và kiểm soát chi phí không vượt tổng mức đầu tư đã duyệt.

Nhóm thứ ba là kỹ sư tư vấn giám sát và cán bộ kỹ thuật thi công móng công trình. Tài liệu chi tiết hóa phương pháp chế bị mẫu thí nghiệm trong phòng, kỹ thuật khoan lõi kiểm tra cường độ nén qu ở 28 ngày và quy trình nén tĩnh hiện trường.

Nhóm thứ tư là giảng viên, học viên cao học và sinh viên ngành Xây dựng Cầu đường. Đây là tài liệu tham khảo thực chứng giá trị với đầy đủ số liệu địa chất, thủy văn thực tế tại khu vực Tây Nam Bộ.

Câu hỏi thường gặp

Cọc đất gia cố xi măng khác gì so với phương pháp giếng cát kết hợp gia tải? Cọc xi măng đất tạo ra các trụ cứng nhân tạo có cường độ chịu nén qu đạt từ 1,2 MPa đến 2,5 MPa để chịu tải trực tiếp. Trong khi đó, giếng cát chỉ đóng vai trò rút ngắn đường thoát nước thẳng đứng và đòi hỏi thời gian đắp gia tải chờ cố kết kéo dài từ 9 đến 12 tháng.

Tại sao dự án Quốc lộ 1 Cần Thơ – Phụng Hiệp lại thay đổi giải pháp từ giếng cát sang cọc xi măng đất? Việc điều chỉnh nhằm đáp ứng yêu cầu hoàn thành thông xe toàn tuyến vào tháng 7/2015. Giải pháp cọc xi măng đất chỉ mất 3 tháng thi công, rút ngắn 9 tháng so với giếng cát, đồng thời khống chế độ lún dư ở mức 6,94 cm so với yêu cầu kỹ thuật dưới 10 cm.

Hàm lượng xi măng tối ưu cho cọc đất tại khu vực Đồng bằng sông Cửu Long là bao nhiêu? Qua thí nghiệm nén mẫu ở tuổi 28 ngày, hàm lượng xi măng tối ưu dao động từ 180 kg/m3 đến 220 kg/m3 đối với lớp bùn sét dẻo chảy CH có hệ số rỗng ban đầu 1,849, đảm bảo cường độ kháng nén đạt trên 1,5 MPa.

Làm thế nào để kiểm tra chất lượng cọc xi măng đất tại hiện trường công trình? Chất lượng cọc được kiểm soát nghiêm ngặt qua ba bước: khoan lấy mẫu lõi nguyên dạng để thí nghiệm nén nở hông tự do ở 7 và 28 ngày, thí nghiệm nén tĩnh cọc đơn ngoài hiện trường và đo biến dạng lún thực tế dưới tải trọng đắp nền đường.

Giải pháp cọc đất xi măng có áp dụng được cho mọi loại đất yếu hay không? Giải pháp phát huy hiệu quả cao nhất trên đất bùn sét dẻo mềm, sét pha và cát chảy. Đối với đất chứa hàm lượng hữu cơ cao trên 10% hoặc môi trường nước ngầm có tính xâm thực mạnh, cần thí nghiệm phụ gia chuyên biệt để đảm bảo phản ứng thủy hóa xi măng diễn ra hoàn toàn.

Kết luận

  • Luận văn giải quyết thành công bài toán kỹ thuật phức tạp về xử lý nền đất yếu đường đầu cầu tại Dự án mở rộng Quốc lộ 1 đoạn Cần Thơ – Phụng Hiệp.
  • Chứng minh tính ưu việt vượt trội của giải pháp cọc xi măng đất D800 mm khi rút ngắn 75% thời gian thi công so với giếng cát gia tải.
  • Kiểm soát độ lún dư sau thi công chỉ còn 6,94 cm và nâng cao hệ số ổn định trượt tổng thể của mái dốc nền đắp lên mức 4,715.
  • Cung cấp cơ sở khoa học và dữ liệu thực nghiệm chuẩn xác để tối ưu hóa khoảng cách cọc từ 1,6 m đến 1,8 m, giảm đáng kể chi phí xây dựng.
  • Mở ra hướng ứng dụng rộng rãi và hoàn thiện quy chuẩn thiết kế móng cọc xi măng đất cho toàn bộ hệ thống đường cao tốc và quốc lộ khu vực Tây Nam Bộ trong các giai đoạn tiếp theo.