Tổng quan nghiên cứu

Đất bùn sét yếu lòng sông là loại đất có hệ số rỗng lớn, độ ẩm cao và khả năng chịu lực thấp, gây ra nhiều khó khăn trong xây dựng công trình nền móng, đặc biệt tại các khu vực đồng bằng sông Cửu Long. Theo ước tính, hàng năm chi phí nạo vét đất bùn từ lòng sông tại khu vực này rất lớn, trong khi việc sử dụng đất bùn làm vật liệu san lấp có thể giảm thiểu chi phí xây dựng và bảo vệ đất canh tác. Tuy nhiên, đất bùn có tính chất cơ lý yếu, dễ bị lún và mất ổn định khi chịu tải trọng, đòi hỏi phải nghiên cứu kỹ lưỡng các đặc tính cố kết và hệ số thấm để thiết kế nền móng hiệu quả.

Mục tiêu nghiên cứu là xác định sự thay đổi của hệ số rỗng, hệ số thấm và hệ số cố kết của đất bùn lòng sông dưới các cấp áp lực khác nhau, đồng thời đánh giá ảnh hưởng của việc gia cường bằng vải địa kỹ thuật đến các thông số này. Nghiên cứu được thực hiện trên mẫu đất bùn lấy từ sông Cái Lớn, tỉnh Kiên Giang, với kích thước mẫu đa dạng từ 1 cm đến 4 cm, trong đó mẫu gia cường có lớp vải địa kỹ thuật không dệt đặt giữa lớp đất.

Nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc cung cấp dữ liệu thực nghiệm cho thiết kế nền móng công trình sử dụng đất bùn lòng sông, góp phần nâng cao hiệu quả kinh tế và kỹ thuật trong xây dựng, đồng thời hỗ trợ phát triển các giải pháp gia cố đất bùn bằng vật liệu địa kỹ thuật tại các vùng đồng bằng ven biển.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu dựa trên lý thuyết nén cố kết một chiều của Terzaghi, trong đó áp lực nước lỗ rỗng thặng dư giảm dần theo thời gian khi nước thoát ra khỏi mẫu đất dưới tác dụng của tải trọng. Phương trình vi phân cố kết một chiều được sử dụng để mô tả quá trình này:

$$ \frac{\partial u}{\partial t} = C_v \frac{\partial^2 u}{\partial z^2} $$

trong đó $u$ là áp lực nước lỗ rỗng thặng dư, $C_v$ là hệ số cố kết, và $z$ là chiều sâu theo phương thẳng đứng.

Ba giai đoạn nén cố kết được phân biệt: nén ban đầu, nén cố kết sơ cấp và nén thứ cấp. Nghiên cứu tập trung vào giai đoạn cố kết sơ cấp, khi áp lực nước lỗ rỗng tiêu tan dần và đất bắt đầu chịu tải trọng hiệu quả.

Hai phương pháp tính hệ số cố kết được áp dụng là phương pháp log-time (Casagrande) và phương pháp căn bậc hai thời gian (Taylor), giúp xác định chính xác thời gian cố kết và hệ số cố kết từ dữ liệu thí nghiệm.

Các khái niệm chính bao gồm: hệ số rỗng (e), hệ số thấm (k), hệ số cố kết (C_v), hệ số nén thể tích (m_v), và độ lún đất dưới tải trọng.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu chính là các mẫu đất bùn sét lấy từ lòng sông Cái Lớn, tỉnh Kiên Giang, phân loại theo USCS là đất sét bùn dẻo cao (OH-MH). Mẫu đất được chuẩn bị với các bề dày 1 cm, 2 cm, 3 cm cho đất không gia cường và 4 cm cho mẫu gia cường với một lớp vải địa kỹ thuật không dệt.

Thí nghiệm nén cố kết một trục được tiến hành theo tiêu chuẩn TCVN 4200:2012 và ASTM D2435-96, sử dụng dao vòng đường kính 5 cm. Các mẫu được tạo ẩm theo độ ẩm tối ưu xác định trước, sau đó được nén dưới các cấp tải 50 kPa, 100 kPa, 200 kPa và 400 kPa.

Phân tích số liệu sử dụng hai phương pháp log-time và căn bậc hai thời gian để xác định hệ số cố kết và thời gian cố kết. Hệ số thấm được tính toán dựa trên hệ số cố kết, hệ số nén thể tích và khối lượng riêng của nước.

Quá trình nghiên cứu kéo dài trong khoảng thời gian phù hợp để hoàn thành các thí nghiệm và xử lý số liệu, đảm bảo độ chính xác và tin cậy của kết quả.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Sự thay đổi hệ số rỗng theo cấp tải và bề dày mẫu: Hệ số rỗng giảm khi tăng cấp tải trong cùng một mẫu. Với mẫu không gia cường, khi tăng bề dày từ 1 cm đến 3 cm, hệ số rỗng tăng lên, ví dụ mẫu 1 cm có hệ số rỗng khoảng 0.4262, trong khi mẫu gia cường 4 cm có hệ số rỗng khoảng 0.3953 tại cấp tải 50 kPa.

  2. Hệ số cố kết và thời gian cố kết: Hệ số cố kết tăng khi tăng cấp tải, nhưng giảm khi tăng bề dày mẫu. Ví dụ, mẫu 1 cm có hệ số cố kết khoảng 2 mm/phút tại 50 kPa, trong khi mẫu gia cường 4 cm có hệ số cố kết khoảng 1.3 mm/phút. Thời gian cố kết giảm khi tăng áp lực nén nhưng tăng khi tăng chiều cao mẫu, với thời gian cố kết tăng khoảng 1.5 lần khi bề dày tăng từ 1 cm lên 3 cm. Mẫu gia cường 4 cm có thời gian cố kết giảm khoảng 0.9 lần so với mẫu 3 cm không gia cường.

  3. Hệ số thấm: Hệ số thấm giảm khi tăng cấp tải trong cùng một mẫu. Mẫu gia cường 4 cm có hệ số thấm lớn hơn mẫu không gia cường cùng bề dày, ví dụ mẫu 1 cm có hệ số thấm khoảng 2.67×10⁻⁹ m/phút, mẫu gia cường 4 cm có hệ số thấm khoảng 2.24×10⁻⁹ m/phút tại cấp tải 50 kPa.

  4. Ảnh hưởng của vải địa kỹ thuật: Lớp vải địa kỹ thuật đóng vai trò như biên thoát nước, làm giảm chiều dài đường thoát nước và thời gian cố kết, đồng thời làm tăng hệ số thấm so với mẫu không gia cường cùng bề dày.

Thảo luận kết quả

Kết quả cho thấy sự biến đổi rõ rệt của các thông số cơ lý đất bùn theo cấp tải và bề dày mẫu, phù hợp với lý thuyết nén cố kết của Terzaghi. Việc tăng bề dày mẫu làm tăng lực ma sát giữa thành và đất, làm giảm áp lực nén lên hạt đất, dẫn đến hệ số rỗng tăng và hệ số cố kết giảm. Điều này được minh họa qua các biểu đồ thể hiện mối quan hệ giữa cấp tải và hệ số cố kết, thời gian cố kết.

So sánh với các nghiên cứu trong và ngoài nước, kết quả tương đồng với báo cáo cho thấy vải địa kỹ thuật không chỉ cải thiện khả năng thoát nước mà còn tăng tính ổn định của đất bùn yếu. Việc gia cường bằng vải địa kỹ thuật làm giảm thời gian cố kết, giúp rút ngắn thời gian thi công và tăng độ bền công trình.

Dữ liệu có thể được trình bày qua các biểu đồ đường cong thể hiện mối quan hệ giữa cấp tải và hệ số cố kết, thời gian cố kết, cũng như bảng tổng hợp hệ số rỗng và hệ số thấm theo từng mẫu, giúp trực quan hóa sự ảnh hưởng của các yếu tố nghiên cứu.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Áp dụng đồng thời hai phương pháp log-time và căn bậc hai thời gian trong xác định hệ số cố kết nhằm nâng cao độ chính xác trong thiết kế nền móng đất bùn yếu, đặc biệt trong các công trình có yêu cầu cao về độ lún.

  2. Thực hiện thí nghiệm xác định hệ số cố kết trực tiếp trên mẫu đất gia cường để có dữ liệu chính xác hơn, phục vụ cho việc thiết kế và thi công các công trình sử dụng đất bùn lòng sông.

  3. Khuyến khích sử dụng vải địa kỹ thuật không dệt làm lớp gia cường trong các công trình nền móng đất bùn nhằm giảm thời gian cố kết và tăng khả năng thoát nước, từ đó giảm thiểu lún và tăng độ ổn định công trình.

  4. Nghiên cứu tiếp theo nên tập trung vào ảnh hưởng của ma sát giữa đất và thành dao vòng khi tăng bề dày mẫu, cũng như tác động của số lớp vải địa kỹ thuật đến quá trình cố kết và tính chất cơ lý của đất bùn, nhằm tối ưu hóa thiết kế gia cố.

Các giải pháp trên nên được thực hiện trong vòng 1-2 năm tới, phối hợp giữa các đơn vị nghiên cứu và nhà thầu xây dựng để ứng dụng hiệu quả trong thực tế.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Kỹ sư thiết kế công trình nền móng: Nghiên cứu cung cấp dữ liệu thực nghiệm về hệ số cố kết, hệ số thấm và hệ số rỗng của đất bùn lòng sông, giúp thiết kế nền móng chính xác, giảm thiểu rủi ro lún không đều.

  2. Nhà thầu xây dựng và thi công: Thông tin về ảnh hưởng của vải địa kỹ thuật đến thời gian cố kết và khả năng thoát nước hỗ trợ lựa chọn vật liệu và phương pháp thi công phù hợp, tiết kiệm chi phí và thời gian.

  3. Nhà nghiên cứu và sinh viên ngành kỹ thuật xây dựng, địa kỹ thuật: Luận văn cung cấp cơ sở lý thuyết và phương pháp thí nghiệm chi tiết, làm tài liệu tham khảo cho các nghiên cứu tiếp theo về gia cố đất yếu.

  4. Cơ quan quản lý và quy hoạch đô thị, giao thông: Dữ liệu nghiên cứu giúp đánh giá khả năng sử dụng đất bùn lòng sông làm vật liệu san lấp, góp phần phát triển bền vững hạ tầng giao thông nông thôn và khu vực ven biển.

Câu hỏi thường gặp

  1. Tại sao cần nghiên cứu ảnh hưởng của bề dày mẫu đất đến hệ số cố kết?
    Bề dày mẫu ảnh hưởng đến lực ma sát giữa thành và đất, làm thay đổi áp lực nén lên hạt đất, từ đó ảnh hưởng đến hệ số cố kết và thời gian cố kết. Nghiên cứu giúp thiết kế thí nghiệm và ứng dụng thực tế chính xác hơn.

  2. Vải địa kỹ thuật có tác dụng gì trong gia cố đất bùn?
    Vải địa kỹ thuật không dệt giúp tăng khả năng thoát nước, giảm thời gian cố kết, đồng thời tăng tính ổn định và khả năng chịu lực của đất bùn yếu, giảm lún và biến dạng công trình.

  3. Hai phương pháp log-time và căn bậc hai thời gian khác nhau như thế nào?
    Phương pháp log-time dựa trên đồ thị logarit thời gian với độ lún, trong khi phương pháp căn bậc hai thời gian sử dụng mối quan hệ tuyến tính giữa căn bậc hai của thời gian và độ lún. Cả hai phương pháp đều được sử dụng để xác định hệ số cố kết với độ chính xác cao.

  4. Hệ số thấm của đất bùn thay đổi ra sao khi tăng tải trọng?
    Hệ số thấm giảm khi tăng tải trọng do thể tích lỗ rỗng giảm, đất bị nén chặt hơn, làm hạn chế sự thấm nước qua đất. Tuy nhiên, mẫu gia cường có thể có hệ số thấm cao hơn do lớp vải địa kỹ thuật hỗ trợ thoát nước.

  5. Nghiên cứu này có thể áp dụng cho các vùng khác ngoài Đồng bằng sông Cửu Long không?
    Có thể áp dụng cho các vùng có đặc điểm đất bùn tương tự, đặc biệt là các khu vực ven biển và đồng bằng có đất yếu, tuy nhiên cần điều chỉnh theo đặc tính địa phương và điều kiện môi trường cụ thể.

Kết luận

  • Nghiên cứu đã xác định được sự thay đổi hệ số rỗng, hệ số thấm và hệ số cố kết của đất bùn lòng sông dưới các cấp áp lực khác nhau và ảnh hưởng của bề dày mẫu.
  • Hai phương pháp log-time và căn bậc hai thời gian cho kết quả hệ số cố kết tương đồng, có thể sử dụng kết hợp để tăng độ chính xác.
  • Gia cường bằng vải địa kỹ thuật giúp giảm thời gian cố kết và tăng hệ số thấm, cải thiện tính ổn định của đất bùn yếu.
  • Kết quả nghiên cứu cung cấp cơ sở khoa học cho thiết kế nền móng công trình sử dụng đất bùn lòng sông, góp phần giảm chi phí và tăng hiệu quả xây dựng.
  • Các bước tiếp theo nên tập trung vào nghiên cứu ảnh hưởng của ma sát thành mẫu và số lớp vải địa kỹ thuật để tối ưu hóa giải pháp gia cố đất bùn.

Để ứng dụng hiệu quả, các nhà thiết kế và thi công nên phối hợp triển khai thí nghiệm thực tế và áp dụng các kết quả nghiên cứu trong thiết kế công trình nền móng tại các khu vực đất bùn yếu.