Tổng quan nghiên cứu

Khu vực Thành phố Hồ Chí Minh và các tỉnh phía Nam có điều kiện địa chất công trình phức tạp, trong đó hơn 60% chiều dài các tuyến giao thông trọng điểm phải đi qua các tầng đất sét yếu, bùn lầy ven sông rạch với độ ẩm tự nhiên dao động từ 84.4% đến trên 90.0%. Vấn đề đặt ra là nền đất tự nhiên có sức chịu tải rất thấp, dễ bị lún sụt và biến dạng nghiêm trọng dưới tác động của tải trọng giao thông hiện đại. Luận văn tập trung nghiên cứu, thiết kế lựa chọn tỷ lệ phối trộn đất gia cố xi măng hợp lý theo công nghệ trộn sâu dạng ướt (Deep Soil Mixing - Wet Method) nhằm xử lý nền đất yếu phục vụ thi công công trình đường bộ.

Mục tiêu cụ thể của đề tài là xác định các chỉ tiêu cơ lý, hóa học của đất nền, đánh giá khả năng tương thích của các chủng loại xi măng khác nhau, từ đó tìm ra cấp phối tối ưu về hàm lượng xi măng và tỷ lệ Nước/Xi măng (N/X) cho cọc đường kính 80 cm với chiều dài từ 12m đến 15m. Phạm vi nghiên cứu được triển khai trực tiếp trên tuyến dự án Đường vành đai ngoài Tân Sơn Nhất – Bình Lợi (tại các lý trình Km4+400 và Km8+000) trong giai đoạn 2011 - 2012. Nghiên cứu mang ý nghĩa thực tiễn to lớn khi giúp tối ưu hóa hàm lượng xi măng sử dụng ở mức 200 - 220 kg/m3, đảm bảo cường độ kháng nén 28 ngày đạt trên 15.68 - 26.0 kg/cm2, tiết kiệm từ 15% đến 20% chi phí xây lắp nền móng và rút ngắn đáng kể thời gian gia cố nền đường so với các phương pháp truyền thống.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu được xây dựng dựa trên hai nền tảng lý thuyết cốt lõi trong cơ học đất và kỹ thuật vật liệu xây dựng:

Lý thuyết hóa học về quá trình thủy hóa xi măng và tương tác với khoáng vật sét: Khi trộn xi măng vào đất bão hòa nước, các phản ứng thủy hóa của khoáng clanhke (C3S, C2S, C3A, C4AF) diễn ra giải phóng canxi hydroxit Ca(OH)2. Lượng Ca(OH)2 này lập tức tham gia phản ứng trao đổi ion với các hạt khoáng sét, làm giảm chiều dày lớp khuếch tán nước bao quanh hạt sét, gây ra hiện tượng keo tụ và tạo cấu trúc khung xương đá xi măng rắn chắc. Đồng thời, phản ứng pozzolanic giữa Ca(OH)2 và silica, alumina tự do trong đất tạo nên các hợp chất canxi silicat hydrat (C-S-H) không tan, giúp gia tăng cường độ theo thời gian. Ngoài ra, phản ứng cacbonat hóa giữa Ca(OH)2 và khí CO2 hòa tan tạo kết tủa canxi cacbonat (CaCO3) làm tăng thêm tính ổn định cho khối đất gia cố.

Lý thuyết cơ học đất yếu gia cố cọc hỗn hợp (Deep Soil Mixing): Xem cọc đất xi măng như một kết cấu cọc composite truyền tải trọng thân và ma sát bên vào nền đất xung quanh, chuyển đổi nền đất từ trạng thái dẻo chảy sang khối gia cố bán cứng đồng nhất.

Các khái niệm chính được sử dụng xuyên suốt gồm: Cường độ kháng nén một trục không nở hông (qu), Tỷ lệ Nước/Xi măng (N/X), Khối lượng thể tích dung trọng tự nhiên, Giới hạn dẻo (Wp), Giới hạn chảy (Wt) và Chỉ số dẻo (Ip).

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu của đề tài được thu thập từ các hố đào và hố khoan địa chất công trình tại lý trình Km4+400 và Km8+000 thuộc dự án Vành đai ngoài Tân Sơn Nhất – Bình Lợi ở độ sâu khảo sát từ 0m đến 15m. Dữ liệu thực nghiệm bao gồm kết quả thí nghiệm trong phòng của hơn 120 tổ mẫu đất xi măng và kết quả khoan lấy lõi từ các cọc thử nghiệm hiện trường.

Phương pháp chọn mẫu: Sử dụng phương pháp lấy mẫu phân tầng theo chiều sâu địa chất. Ở giai đoạn thiết kế sơ bộ, mẫu đất được lấy ở tầng mặt (độ sâu 0 - 3m). Ở giai đoạn thiết kế chính thức, mẫu đất nguyên dạng và xáo nhét được thu thập tại các tầng chịu lực chính từ 3m đến 12m và 3m đến 15m. Cỡ mẫu cho mỗi phép thử nén cơ học gồm tổ 3 mẫu hình trụ chuẩn (đường kính d = 50 mm, chiều cao h = 100 mm). Phương pháp chế bị mẫu được chuẩn hóa qua việc đầm 5 lớp với 30 lần đầm mỗi lớp, tạo độ đồng nhất tối đa giữa các mẻ trộn.

Phương pháp phân tích:

  • Phân tích hóa học: Xác định nồng độ pH bằng máy đo điện tử; định lượng ion Cl- bằng phương pháp kết tủa bạc nitrat (AgNO3) và chuẩn độ lượng dư bằng amoni sunfoxianua (NH4SCN 0.025N); xác định hàm lượng mùn hữu cơ bằng phương pháp nung ở nhiệt độ 1000°C ± 50°C theo tiêu chuẩn TCVN 141-1998.
  • Phân tích cơ lý: Xác định thành phần hạt bằng phương pháp tỷ trọng kế và sàng rây; độ ẩm tự nhiên bằng phương pháp sấy khô; giới hạn dẻo và chảy theo quả dọi thăng bằng.
  • Thí nghiệm cơ học: Nén mẫu một trục không hạn chế nở hông theo tiêu chuẩn TCXDVN 385:2006 và TCVN 6016:1995 trên máy nén thủy lực ở các mốc thời gian bảo dưỡng 7, 14, 28 và 56 ngày tuổi trong điều kiện dưỡng ẩm tương đương nhiệt độ thực tế của nền đất.

Lý do lựa chọn các phương pháp phân tích này là nhằm phản ánh chính xác nhất tương tác hóa lý và khả năng chịu tải đơn trục của kết cấu cọc trong môi trường đất yếu ngập nước ngầm.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Thứ nhất, nền đất tại khu vực dự án có tính chất vật lý vô cùng mềm yếu và độ phân hóa cao theo chiều sâu. Tại Km4+400 và Km8+000, độ ẩm tự nhiên của đất dao động ở mức rất cao từ 84.4% đến 90.0%, khối lượng thể tích tự nhiên chỉ đạt 1.48 - 1.81 g/cm3. Giới hạn chảy Wt đạt 85.55% - 108.4%, giới hạn dẻo Wp đạt 35.04% - 42.88%, dẫn đến chỉ số dẻo Ip rất cao từ 49.52 đến 65.3, thể hiện đặc tính đất sét dẻo chảy. Hàm lượng mùn hữu cơ tầng mặt (0 - 3m) chiếm tới 4.2% - 4.8%, hàm lượng ion Cl- dao động từ 0.04% đến 1.182%.

Thứ hai, ở bước thiết kế sơ bộ (độ sâu 0 - 3m, tỷ lệ N/X = 0.8), với 4 loại xi măng khảo sát gồm Holcim Ready Flow, Holcim Stable Soil, Lafarge Tower Slag 60% và Lafarge Tower Slag 25% ở các hàm lượng 180, 220, 250 kg/m3, cường độ nén 28 ngày (R28) có sự phân hóa rõ rệt. Xi măng xỉ Lafarge 60% và Holcim Stable Soil thể hiện mức độ phát triển cường độ vượt trội từ 14 đến 56 ngày tuổi, đạt cường độ chịu nén trên 4.5 - 6.5 kg/cm2, cao hơn khoảng 25% - 35% so với các dòng xi măng poóc lăng thông thường.

Thứ ba, ở bước thiết kế chính thức (độ sâu 3 - 15m), cường độ chịu nén tăng tỷ lệ thuận với hàm lượng xi măng phối trộn. Tại Km4+400 ở độ sâu 6m, mẫu đất trộn Holcim Stable Soil với hàm lượng 160 kg/m3 đạt R28 = 18.98 kg/cm2; khi tăng hàm lượng lên 200 kg/m3 và 240 kg/m3, cường độ nén tăng vọt lên trên 28.0 - 35.0 kg/cm2 (tăng hơn 47% đến 84%). Tại Km8+000 ở độ sâu 6m, mẫu dùng Lafarge 60% xỉ đạt R28 lần lượt là 15.68 kg/cm2 (hàm lượng 160 kg/m3), 20.5 kg/cm2 (hàm lượng 200 kg/m3) và 24.2 kg/cm2 (hàm lượng 240 kg/m3).

Thứ tư, nghiên cứu xác lập được mối tương quan nghịch giữa hàm lượng chất hữu cơ và cường độ nén. Khi hàm lượng hữu cơ trong đất vượt mức 4.5%, cường độ R28 bị suy giảm từ 20% đến 30% nếu không bổ sung hàm lượng xi măng thích hợp. Trong khi đó, tỷ lệ hạt sét mịn (< 0.005 mm) chiếm trên 50% giúp tăng diện tích tiếp xúc với gel C-S-H nhưng đòi hỏi công đầm và thời gian ninh kết kéo dài hơn.

Thảo luận kết quả

Cơ chế tạo cường độ vượt trội của xi măng xỉ (GBFS 60%) và Holcim Stable Soil bắt nguồn từ hàm lượng kiềm thấp kết hợp với các hạt xỉ lò cao nghiền mịn. Trong môi trường đất sét ẩm ướt và có chứa ion Cl- (lên tới 1.182%), xi măng poóc lăng thông thường dễ bị rửa trôi Ca(OH)2 hoặc phát sinh phản ứng kiềm - cốt liệu gây trương nở nứt nẻ. Ngược lại, xỉ lò cao hấp thụ triệt để Ca(OH)2 tự do để hình thành mạng lưới khoáng thủy hóa thứ cấp bền vững, gia tăng khả năng chống xâm thực axit và sunfat.

Toàn bộ dữ liệu thực nghiệm trong nghiên cứu được mô hình hóa trực quan thông qua hai hình thức:

  • Đồ thị đường biểu diễn động học phát triển cường độ nén theo ngày tuổi (7, 14, 28 và 56 ngày) thể hiện rõ xu hướng tăng trưởng liên tục của nhóm xi măng xỉ sau 28 ngày, trong khi xi măng thông thường có xu hướng đi ngang sau 21 ngày.
  • Biểu đồ cột so sánh tương quan giữa các mức hàm lượng xi măng (160, 200, 240 kg/m3) tại từng độ sâu địa chất (3m, 6m, 9m, 12m, 15m), cho phép kỹ sư lựa chọn điểm cân bằng tối ưu giữa cường độ chịu tải và chi phí vật liệu.

So với các công trình xử lý đất yếu đã thực hiện tại Cảng hàng không Cần Thơ hay Đại lộ Đông Tây, kết quả của luận văn đã khẳng định tính ưu việt của giải pháp phân tầng hàm lượng xi măng: sử dụng 250 kg/m3 cho tầng trên (1 - 4m) để triệt tiêu ảnh hưởng của lớp hữu cơ, và duy trì 200 - 220 kg/m3 cho tầng sâu (4 - 15m).

Đề xuất và khuyến nghị

Thứ nhất, áp dụng định mức cấp phối phân tầng cho cọc đại trà: Đơn vị tư vấn thiết kế và nhà thầu cần áp dụng hàm lượng 250 kg xi măng/m3 đất cho đoạn cọc từ độ sâu 1m đến 4m (nơi có hàm lượng hữu cơ cao 4.8%) và định mức 200 - 220 kg xi măng/m3 đất cho đoạn cọc từ 4m đến 15m. Tỷ lệ Nước/Xi măng (N/X) cố định ở mức 0.8 để đảm bảo vữa dễ bơm phụt và đạt cường độ nén thiết kế R28 ≥ 15.0 - 20.0 kg/cm2. Giải pháp này cần được áp dụng ngay trong giai đoạn lập bản vẽ thi công. Chủ thể thực hiện: Tư vấn thiết kế và Ban Quản lý Dự án.

Thứ hai, chuẩn hóa quy trình đúc và dưỡng mẫu thí nghiệm trong phòng: Các phòng thí nghiệm LAS-XD cần áp dụng triệt để phương pháp đầm 5 lớp với 30 lần đầm mỗi lớp cho mẫu trụ d = 50 mm, h = 100 mm theo tiêu chuẩn TCXDVN 385:2006. Mục tiêu kiểm soát sai số dung trọng giữa các lần đầm dưới 1%, loại bỏ hoàn toàn bọt khí thừa trước khi đưa vào tủ bảo dưỡng tiêu chuẩn ở nhiệt độ 25°C ± 2°C. Chủ thể thực hiện: Các kỹ thuật viên và trưởng phòng thí nghiệm kiểm định.

Thứ ba, kiểm soát nghiêm ngặt các thông số khoan phụt vữa hiện trường: Đơn vị thi công phải trang bị hệ thống đồng hồ đo lưu lượng tự động và cảm biến áp lực trên giàn khoan trộn sâu dạng ướt. Khống chế tốc độ quay của cánh khuấy từ 15 đến 25 vòng/phút, tốc độ rút cần khoan từ 0.5 đến 0.8 m/phút và áp lực bơm vữa duy trì từ 0.5 đến 1.0 MPa, đảm bảo đường kính cọc hoàn thiện đúng 80 cm và vữa phân tán đồng đều 100% dọc thân cọc. Chủ thể thực hiện: Kỹ sư thi công và Tư vấn giám sát hiện trường.

Thứ tư, tăng cường kiểm tra chất lượng bằng phương pháp khoan lấy lõi cọc sau 28 ngày: Tiến hành khoan lấy lõi tối thiểu 1.5% tổng số lượng cọc thi công đại trà trên toàn tuyến. Lõi khoan phải được gia công phẳng hai đầu, ngâm nước bão hòa trước khi nén để xác định chỉ số qu thực tế. Lộ trình triển khai liên tục theo từng phân đoạn thi công trong suốt thời gian 6 đến 12 tháng của dự án. Chủ thể thực hiện: Tổ chức kiểm định độc lập và Chủ đầu tư.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

Thứ nhất, Kỹ sư thiết kế công trình ngầm và nền móng: Nắm bắt các thông số thực nghiệm cơ lý đất sét yếu TP.HCM, các phương trình tương quan giữa hàm lượng xi măng (160 - 250 kg/m3) với cường độ chịu nén để đưa ra giải pháp xử lý nền móng chính xác, an toàn và tối ưu kinh phí.

Thứ hai, Chỉ huy trưởng và Kỹ sư thi công cầu đường: Tiếp cận chi tiết quy trình công nghệ trộn sâu dạng ướt (Single, Double, Triple phase), cách thức vận hành trạm trộn vữa tự động với tỷ lệ N/X = 0.8 và giải pháp xử lý sự cố tắc ống, mất áp trong quá trình thi công cọc đường kính 80 cm.

Thứ ba, Kỹ thuật viên phòng thí nghiệm chuyên ngành xây dựng (LAS-XD): Khai thác hướng dẫn chi tiết về kỹ thuật phân tích hóa học đất (độ pH, chuẩn độ ion Cl-, nung xác định hàm lượng hữu cơ ở 1000°C) và kỹ thuật đúc mẫu chuẩn 5 lớp x 30 lần đầm nhằm nâng cao độ chính xác của kết quả nén.

Thứ tư, Giảng viên, Học viên cao học và Sinh viên ngành Xây dựng Công trình Giao thông: Sử dụng như một tài liệu tham khảo học thuật giá trị về địa kỹ thuật ứng dụng, phương pháp thiết kế cấp phối gia cố đất yếu và quy trình kiểm soát chất lượng công trình giao thông đô thị.

Câu hỏi thường gặp

Tỷ lệ Nước/Xi măng (N/X) bằng 0.8 mang lại lợi ích gì trong thi công cọc trộn ướt? Tỷ lệ N/X = 0.8 tạo độ linh động tối ưu giúp vữa xi măng dễ dàng bơm qua vòi phụt mà không gây tắc nghẽn đường ống áp lực cao. Đồng thời, tỷ số này hạn chế lượng nước dư thừa đưa vào nền đất sét bão hòa nước (độ ẩm tự nhiên 84.4% - 90%), giúp hỗn hợp nhanh chóng đông kết và đạt cường độ nén 28 ngày vượt trên 15 kg/cm2.

Tại sao xi măng xỉ Lafarge 60% và Holcim Stable Soil lại cho hiệu quả tốt hơn xi măng thông thường? Xi măng xỉ chứa hàm lượng xỉ lò cao nghiền mịn có hoạt tính thủy hóa kéo dài và lượng kiềm thấp (dưới 0.6%). Khi tương tác với đất sét yếu có tính axit nhẹ hoặc nhiễm mặn Cl- (lên tới 1.182%), xi măng xỉ ngăn ngừa phản ứng kiềm - cốt liệu, kháng xâm thực sunfat vượt trội và giúp cường độ nén tiếp tục tăng mạnh từ 28 đến 56 ngày tuổi.

Tại sao cần tăng hàm lượng xi măng lên 250 kg/m3 tại đoạn cọc từ 1m đến 4m? Tầng đất mặt từ 1m đến 4m có hàm lượng mùn hữu cơ cao (4.2% - 4.8%), làm ức chế quá trình thủy hóa của xi măng. Tăng hàm lượng xi măng lên 250 kg/m3 bù đắp sự suy giảm cường độ do chất hữu cơ gây ra, đồng thời gia tăng độ cứng cho đầu cọc nhằm tiếp nhận và truyền tải trọng phân bố từ áo đường xuống các lớp đất sâu hơn.

Quy trình đầm mẫu 5 lớp với 30 lần đầm mỗi lớp có ưu điểm gì so với các cách đầm khác? Thực nghiệm so sánh các công đầm từ 3 đến 6 lớp cho thấy đầm 5 lớp với 30 lần đầm/lớp tạo ra khối lượng thể tích mẫu ổn định nhất và sai số khối lượng giữa các mẫu dưới 1%. Quy trình này giúp loại bỏ triệt để các túi khí bên trong ống d = 50 mm, h = 100 mm, phản ánh trung thực độ chặt của cọc đất xi măng ngoài hiện trường.

Cường độ nén của mẫu khoan lõi tại hiện trường khác biệt như thế nào so với mẫu đúc trong phòng? Mẫu đúc trong phòng được nhào trộn đồng nhất tuyệt đối nên cường độ nén thường cao hơn mẫu khoan lõi hiện trường từ 20% đến 35%. Tại hiện trường, độ nhớt của bùn và tốc độ quay của cánh khuấy tạo ra sự phân bố vữa không hoàn toàn đồng đều, do đó hệ số an toàn thiết kế thường được nhân thêm 1.5 đến 2.0 khi tính toán sức chịu tải.

Kết luận

  • Đề tài đã giải quyết thành công bài toán lựa chọn cấp phối đất gia cố xi măng bằng phương pháp trộn sâu dạng ướt cho tuyến Đường vành đai ngoài Tân Sơn Nhất – Bình Lợi.
  • Xác lập tỷ lệ Nước/Xi măng N/X = 0.8 là thông số tối ưu cho kỹ thuật bơm phun vữa áp lực, vừa đảm bảo tính linh động khi thi công vừa đạt cường độ chịu tải thiết kế.
  • Đề xuất giải pháp phân tầng cấp phối: sử dụng hàm lượng 250 kg/m3 cho tầng đất hữu cơ 1 - 4m và 200 - 220 kg/m3 cho tầng chịu lực 4 - 15m, giúp nâng cao hiệu quả kỹ thuật và tiết kiệm kinh phí xây dựng.
  • Chứng minh dòng xi măng xỉ 60% và xi măng chuyên dụng cải tạo đất có khả năng kháng xâm thực mặn, ức chế phản ứng kiềm - cốt liệu và phát triển cường độ bền vững theo thời gian.
  • Đóng góp quy trình kiểm chuẩn toàn diện từ khâu đúc mẫu 5 lớp trong phòng thí nghiệm đến công tác khoan nén kiểm định cọc đại trà ngoài hiện trường.

Các kỹ sư và nhà quản lý dự án có thể áp dụng ngay khung thiết kế cấp phối và quy trình kiểm soát này cho các dự án hạ tầng giao thông trên nền đất yếu tương tự tại khu vực phía Nam.