Tổng quan nghiên cứu

Dự án đầu tư nâng cấp, mở rộng Quốc lộ 60 (QL60) đoạn kết nối từ cầu Rạch Miễu đến cầu Cổ Chiên qua địa bàn tỉnh Bến Tre có tổng chiều dài 22,38 km đóng vai trò huyết mạch trong liên kết vùng Tây Nam Bộ. Quá trình triển khai thi công 04 phân đoạn của dự án đã làm phát sinh tổng khối lượng đất đào hữu cơ và đất không thích hợp lên đến 343.654 m³, riêng đoạn 4 chiếm tới 180.573 m³. Việc tìm kiếm bãi tập kết để đổ thải khối lượng đất khổng lồ này gặp vô vàn trở ngại do quỹ đất hạn chế và nguy cơ gây ô nhiễm môi trường sinh thái nghiêm trọng. Đồng thời, khu vực tỉnh Bến Tre và đồng bằng sông Cửu Long hoàn toàn không có các mỏ sỏi đỏ hay sỏi đồi đạt chuẩn để làm vật liệu đắp lề bờ bao đường ô tô. Nhà thầu buộc phải vận chuyển vật liệu đắp từ các mỏ tại Đồng Nai hoặc Bình Dương với cự ly vượt trên 120 km, làm tăng chi phí xây lắp từ 35% đến 50% và tạo áp lực hư hại nặng nề lên mạng lưới đường bộ hiện hữu.

Vấn đề kỹ thuật cốt lõi là nguồn đất đào bóc tại chỗ có hàm lượng sét cao, giới hạn chảy vượt quá ngưỡng 58% và chỉ số sức chịu tải California (CBR) sau ngâm nước không đạt tiêu chuẩn tối thiểu là 5%. Mục tiêu của nghiên cứu là xác định hàm lượng xi măng Pooc-lăng phù hợp (khảo sát từ 3% đến 7%) để cải tạo, gia cố nguồn đất đào tại chỗ, biến đất không thích hợp thành vật liệu đắp lề bờ bao đạt đầy đủ các chỉ tiêu cơ lý theo quy chuẩn kỹ thuật của dự án. Nghiên cứu được thực hiện tại dự án BOT QL60 tỉnh Bến Tre trong giai đoạn năm 2018. Kết quả nghiên cứu có ý nghĩa thực tiễn to lớn khi giúp tận dụng toàn bộ 343.654 m³ đất đào, tiết kiệm hàng chục tỷ đồng chi phí vật liệu và cước vận chuyển, đồng thời rút ngắn tiến độ thi công toàn tuyến từ 2 đến 3 tháng.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu được xây dựng trên nền tảng lý thuyết thủy hóa và rắn chắc của chất liên kết vô cơ của Lơ Satalie và Baykov. Khi xi măng Pooc-lăng tiếp xúc với nước, các khoáng chính như Alit (C3S) và Belit (C2S) phản ứng tạo thành gel hydrosilicat canxi (C-S-H) và canxi hydroxit Ca(OH)2. Quá trình này tạo nên bộ khung tinh thể liên kết vững chắc giữa các hạt cốt liệu.

Bên cạnh đó, nghiên cứu vận dụng lý thuyết hóa lý và trao đổi ion bề mặt hạt mịn trong đất dính. Đất sét tự nhiên là hệ thống phân tán đa khoáng có diện tích bề mặt riêng rất lớn và tích điện âm, dễ hút nước làm suy giảm liên kết hạt. Dưới tác động của Ca(OH)2 sinh ra từ phản ứng thủy hóa, các ion Ca2+ sẽ hấp phụ và trao đổi với các cation kiềm trên bề mặt khoáng sét, thúc đẩy quá trình đông tụ không hồi phục, làm giảm chiều dày màng nước khuếch tán và triệt tiêu tính trương nở.

Nghiên cứu tập trung vào 5 khái niệm chuyên ngành then chốt:

  • Đất gia cố chất liên kết vô cơ: Hỗn hợp đất kết hợp với xi măng và nước được nhào trộn, đầm nén để đạt cường độ chịu lực cao.
  • Chỉ số CBR (California Bearing Ratio): Đại lượng đánh giá sức chịu tải của vật liệu làm nền móng đường sau khi bão hòa nước 96 giờ.
  • Cường độ chịu nén một trục nở hông tự do (Rnén): Trị số ứng suất nén phá hoại mẫu ở các ngày tuổi quy định.
  • Cường độ chịu kéo khi ép chẻ (Rép chẻ): Chỉ tiêu phản ánh khả năng chống nứt do ứng suất kéo phát sinh dưới tải trọng bánh xe.
  • Độ ẩm tối ưu và dung trọng khô lớn nhất: Hai thông số xác định thông qua công đầm nén tiêu chuẩn để hỗn hợp đạt trạng thái đặc chắc nhất.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu thực nghiệm được thu thập từ 3 vị trí đại diện dọc theo tuyến Quốc lộ 60 gồm: Mẫu 1 tại Km2+080, Mẫu 2 tại Km2+854 và Mẫu 3 tại Km3+105. Phương pháp chọn mẫu ngẫu nhiên phân tầng được áp dụng nhằm phản ánh đầy đủ tính chất biến thiên của các tầng địa chất phù sa trẻ tại Bến Tre với tổng khối lượng mẫu thí nghiệm xáo động và nguyên dạng vượt trên 150 kg.

Quy trình phân tích cơ lý được tiến hành nghiêm ngặt theo hệ thống tiêu chuẩn kỹ thuật đường bộ Việt Nam:

  • Thí nghiệm thành phần hạt bằng phương pháp rây ướt và lắng đọng tỷ trọng kế theo TCVN 4198:2014.
  • Thí nghiệm xác định giới hạn chảy, giới hạn dẻo và chỉ số dẻo theo TCVN 4197:2012.
  • Thí nghiệm đầm nén tiêu chuẩn (Phương pháp I-A, chày đầm 2,5 kg, chiều cao rơi 305 mm) theo 22 TCN 333-06.
  • Thí nghiệm xác định chỉ số CBR và độ trương nở sau khi ngâm bão hòa nước 96 giờ (4 ngày đêm) theo 22 TCN 332-06.
  • Thí nghiệm xác định cường độ nén và ép chẻ mẫu hình trụ ở các mốc thời gian 7 ngày và 28 ngày tuổi.

Lý do lựa chọn phương pháp thực nghiệm phòng lab đối chứng đa cấp phối (tỷ lệ xi măng lần lượt là 3%, 4%, 5%, 6%, 7%) là nhằm kiểm soát chính xác tác động của hàm lượng chất liên kết tới tốc độ hình thành cường độ, loại trừ các biến số nhiễu từ môi trường ngoài hiện trường trong suốt chu kỳ nghiên cứu kéo dài 12 tháng.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Kết quả thực nghiệm đã chỉ ra các đặc tính cơ lý chi tiết của đất đào tự nhiên cũng như sự biến đổi vượt trội sau khi gia cố xi măng:

  • Đất đào tự nhiên không đạt tiêu chuẩn kỹ thuật: Thành phần hạt của đất tại cả 3 vị trí Km2+080, Km2+854 và Km3+105 có hàm lượng hạt mịn lọt qua sàng 0,1 mm chiếm trên 89,92%. Giới hạn chảy WL biến thiên từ 58,25% đến 60,32% (vượt quá giới hạn cho phép ≤ 55%), chỉ số dẻo Ip từ 19,44% đến 22,51%. Đất ở trạng thái đầm nén tiêu chuẩn có độ ẩm tối ưu dao động quanh 16,05% và dung trọng khô lớn nhất đạt 1,510 g/cm³, chỉ số CBR ngâm nước 96 giờ chỉ đạt từ 2,8% đến 3,4% (thấp hơn yêu cầu CBR ≥ 5%).
  • Gia tăng đột biến chỉ số CBR theo hàm lượng xi măng: Khi trộn thêm xi măng Hà Tiên loại PCB40 với hàm lượng tăng dần từ 3% đến 7%, giá trị CBR ngâm nước 96 giờ tăng vọt tuyến tính. Mẫu gia cố 3% xi măng đạt CBR từ 8,2% đến 9,5%; mẫu 4% đạt 13,1% đến 15,2%; mẫu 5% đạt 18,5% đến 22,4% (tăng hơn 500% so với đất tự nhiên); mẫu 6% và 7% đạt CBR lần lượt từ 25,6% đến 34,2%.
  • Cường độ chịu nén và chịu kéo ép chẻ phát triển vững chắc: Ở mốc 7 ngày tuổi, cường độ chịu nén của mẫu gia cố 5% xi măng đạt giá trị trung bình từ 1,28 MPa đến 1,45 MPa. Đến 28 ngày tuổi, cường độ nén tăng lên mức 2,15 MPa đến 2,42 MPa (tăng khoảng 67% so với 7 ngày tuổi). Cường độ kéo khi ép chẻ ở 28 ngày tuổi của cấp phối 5% xi măng đạt từ 0,28 MPa đến 0,34 MPa, hoàn toàn đáp ứng độ ổn định chống trượt nứt mép lề.
  • Triệt tiêu gần như hoàn toàn độ trương nở: Độ trương nở thể tích của đất tự nhiên sau 96 giờ ngâm nước ở mức 2,85% đến 3,20% đã giảm mạnh xuống còn 0,65% đến 0,78% khi gia cố 5% xi măng, giảm hơn 74% nguy cơ phồng rộp nền lề khi ngập triều.

Thảo luận kết quả

Các dữ liệu thực nghiệm trong luận văn có thể được trình bày một cách trực quan thông qua bảng ma trận so sánh các chỉ tiêu cơ lý giữa đất tự nhiên và đất gia cố theo từng cấp phối 3%, 4%, 5%, 6%, 7% tại 3 lý trình. Đồng thời, đồ thị biểu diễn đường cong quan hệ giữa hàm lượng xi măng với chỉ số CBR và biểu đồ tương quan giữa cường độ nén với cường độ ép chẻ 28 ngày tuổi giúp minh chứng rõ nét xu hướng phát triển cấu trúc vật liệu.

Nguyên nhân của sự cải thiện vượt bậc này xuất phát từ quá trình khoáng hóa kép. Lượng xi măng 5% cung cấp vừa đủ ion canxi để trung hòa điện tích bề mặt hạt sét, đồng thời tạo ra mạng lưới liên kết gel C-S-H phủ kín các mao dẫn rỗng, ngăn không cho các phân tử nước tự do thâm nhập phá vỡ liên kết khi ngập nước 96 giờ. Khi hàm lượng xi măng dưới 5% (như mức 3% hoặc 4%), lượng gel tạo ra chưa đủ để liên kết toàn khối các hạt sét mịn, dẫn đến cường độ ép chẻ thấp dưới 0,20 MPa. Ngược lại, nếu tăng hàm lượng xi măng lên mức 6% hoặc 7%, tuy cường độ nén tăng cao hơn từ 15% đến 25% nhưng vật liệu trở nên giòn hơn, dễ xuất hiện các vết nứt co ngót do nhiệt thủy hóa và làm gia tăng chi phí đầu tư không cần thiết. Do đó, hàm lượng 5% xi măng là điểm tối ưu tuyệt đối về cả kỹ thuật lẫn hiệu quả tài chính.

Đề xuất và khuyến nghị

Nhằm chuyển giao và ứng dụng hiệu quả giải pháp gia cố đất tại chỗ vào thực tế xây dựng công trình giao thông, các khuyến nghị sau được đề xuất:

  • Chuẩn hóa thiết kế cấp phối 5% xi măng trong phòng thí nghiệm và nâng tỷ lệ lên 6,0% đến 6,5% khi thi công trộn tại hiện trường. Việc tăng thêm 1,0% đến 1,5% xi măng ngoài công trường là bắt buộc để bù trừ hao hụt phân tán và sai số do máy trộn cơ giới, bảo đảm độ đồng đều đạt trên 95%. Nhà thầu xây lắp cần triển khai ngay từ giai đoạn khởi công gói thầu.
  • Áp dụng công nghệ cày xới, nghiền tơi đất và phối trộn cưỡng bức bằng thiết bị chuyên dụng đồng bộ. Quy trình thi công phải khống chế thời gian từ lúc tưới nước trộn xi măng đến khi hoàn thiện công tác lu lèn đầm chặt trong giới hạn tối đa 120 phút (trước khi xi măng bắt đầu ninh kết), bảo đảm độ chặt đầm nén đạt chuẩn K ≥ 0,95 theo phương pháp I-A.
  • Thiết lập quy chế kiểm soát độ ẩm hiện trường trong phạm vi độ ẩm tối ưu Wop ± 1,5% và duy trì chế độ bảo dưỡng ẩm liên tục tối thiểu 7 ngày bằng cách phủ bao tải gai tưới nước định kỳ 3 lần/ngày hoặc phủ màng nhựa giữ ẩm nhằm ngăn chặn rạn nứt bề mặt. Đơn vị Tư vấn giám sát chịu trách nhiệm nghiệm thu quy trình này hàng ngày.
  • Hoàn thiện và ban hành bộ định mức dự toán kinh tế - kỹ thuật riêng cho công tác gia cố đất đào tại chỗ làm bờ bao lề đường. Ban Quản lý dự án cần phối hợp với Sở Giao thông Vận tải tỉnh Bến Tre đệ trình Bộ Giao thông Vận tải thẩm định, áp dụng rộng rãi cho các dự án giao thông khu vực đồng bằng sông Cửu Long trong lộ trình 12 tháng tới.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

Nội dung và kết quả nghiên cứu của luận văn mang lại giá trị thực tiễn cao cho nhiều nhóm đối tượng:

  • Kỹ sư thiết kế và Tư vấn giám sát công trình giao thông: Cung cấp nguồn thông số thực nghiệm chuẩn xác về CBR, cường độ nén, ép chẻ và công thức quy đổi tương quan, giúp đẩy nhanh việc lập chỉ dẫn kỹ thuật và thẩm định thiết kế lớp đắp lề đường ô tô.
  • Chủ đầu tư và Ban Quản lý dự án hạ tầng giao thông: Nắm bắt cơ sở kinh tế - kỹ thuật để ra quyết định tái sử dụng đất đào thải, giải quyết triệt để bài toán thiếu bãi đổ phế thải và cắt giảm từ 20% đến 30% chi phí mua vật liệu đắp ngoại tỉnh.
  • Doanh nghiệp và Nhà thầu thi công xây lắp cầu đường: Tiếp cận quy trình công nghệ thi công đất gia cố xi măng tại hiện trường chi tiết từ khâu làm tơi, rải xi măng, kiểm soát thời gian ninh kết 120 phút đến kỹ thuật lu lèn đạt độ chặt K95.
  • Giảng viên, Học viên cao học và Nghiên cứu sinh ngành Kỹ thuật Xây dựng Giao thông: Sử dụng như một tài liệu tham khảo chuyên sâu về cơ chế tương tác hóa lý giữa chất liên kết vô cơ với đất dính phù sa yếu tại khu vực đồng bằng ngập nước.

Câu hỏi thường gặp

  • Tại sao đất đào tại chỗ ở dự án QL60 không thể sử dụng trực tiếp để đắp lề bờ bao? Đất đào bóc tại chỗ có hàm lượng sét và bùn rất lớn, giới hạn chảy vượt mức 58% và chỉ số CBR ngâm nước 96 giờ chỉ đạt dưới 3,4%, không thỏa mãn tiêu chuẩn kỹ thuật của dự án (yêu cầu giới hạn chảy WL ≤ 55% và CBR ≥ 5%). Nếu dùng trực tiếp, lề đường sẽ bị sạt lở và lún nứt khi mưa ngập.

  • Tại sao tỷ lệ 5% xi măng lại được chọn là hàm lượng tối ưu nhất? Tỷ lệ 5% xi măng mang lại chỉ số CBR đạt từ 18,5% đến 22,4% và cường độ nén 28 ngày đạt trên 2,15 MPa, vượt xa yêu cầu kỹ thuật tối thiểu nhưng vẫn duy trì độ dẻo, hạn chế nứt co ngót và tiết kiệm chi phí hơn nhiều so với tỷ lệ 6% hay 7%.

  • Yếu tố thời gian có vai trò như thế nào trong quy trình thi công đất gia cố xi măng? Xi măng Pooc-lăng bắt đầu quá trình ninh kết sau khoảng 120 phút kể từ khi tiếp xúc với nước. Do đó, toàn bộ công tác rải, trộn đều và lu lèn đầm chặt lớp đất gia cố ngoài hiện trường bắt buộc phải hoàn thành trước 120 phút để không làm phá vỡ liên kết cấu trúc đang hình thành.

  • Giải pháp này mang lại hiệu quả kinh tế cụ thể ra sao cho dự án QL60? Giải pháp giúp tái sử dụng toàn bộ 343.654 m³ đất đào không thích hợp tại công trình, loại bỏ 100% chi phí vận chuyển đổ thải và không phải mua sỏi đỏ từ Đồng Nai hay Bình Dương, giúp tiết kiệm từ 35% đến 50% chi phí xây dựng hạng mục lề bờ bao.

  • Tiêu chuẩn nghiệm thu độ chặt và độ trương nở của lớp đất gia cố được quy định như thế nào? Lớp đất gia cố xi măng sau khi đầm nén phải đạt độ đầm chặt tiêu chuẩn K ≥ 0,95 theo phương pháp 22 TCN 333-06. Mẫu thí nghiệm sau khi ngâm bão hòa nước 96 giờ phải có độ trương nở thể tích nhỏ hơn 1,0% (tiêu chuẩn quy định không vượt quá 3,0%).

Kết luận

  • Luận văn đã phân tích toàn diện thực trạng địa chất phù sa yếu tại tỉnh Bến Tre và giải quyết triệt để bài toán xử lý 343.654 m³ đất đào hữu cơ không thích hợp tại dự án nâng cấp QL60.
  • Nghiên cứu đã chứng minh đất đào tại chỗ khi gia cố 5% xi măng Pooc-lăng PCB40 đạt chỉ số CBR ngâm nước từ 18,5% đến 22,4% và cường độ chịu nén 28 ngày đạt 2,15 đến 2,42 MPa, hoàn toàn đáp ứng các tiêu chuẩn kỹ thuật đắp lề bờ bao.
  • Xác lập quy trình công nghệ thi công hiện trường chặt chẽ, khống chế hàm lượng xi măng thi công ở mức 6,0% - 6,5% và thời gian lu lèn hoàn thiện trong vòng 120 phút để bảo đảm độ chặt K ≥ 0,95.
  • Đóng góp giải pháp công nghệ xanh, giúp tiết kiệm hàng chục tỷ đồng ngân sách dự án, bảo vệ môi trường tự nhiên và giảm tải phá hủy hệ thống hạ tầng giao thông hiện hữu.
  • Trong 6 tháng tới, các đơn vị liên quan cần xúc tiến ban hành quy trình định mức chuẩn và nhân rộng mô hình gia cố đất tại chỗ bằng xi măng cho toàn bộ các công trình giao thông trọng điểm khu vực đồng bằng sông Cửu Long.