Tổng quan nghiên cứu

Đất đỏ Bazan là loại đất đặc trưng của vùng Tây Nguyên, trong đó thành phố Pleiku, tỉnh Gia Lai, có địa chất chủ yếu là đất đỏ Bazan với độ sâu lớp phong hóa từ 20 đến 30 mét và độ cao trung bình từ 700 đến 800 mét so với mực nước biển. Đặc điểm khí hậu nhiệt đới gió mùa với lượng mưa trung bình năm khoảng 2.500 mm và sự biến đổi độ ẩm theo mùa ảnh hưởng lớn đến tính chất cơ lý của đất. Theo ước tính, sự biến đổi này làm thay đổi đáng kể sức chịu tải của móng cọc bê tông cốt thép (BTCT) trên nền đất đỏ Bazan, đặc biệt trong mùa mưa khi đất trở nên mềm yếu.

Việc nghiên cứu sức chịu tải dọc trục của cọc BTCT trên đất đỏ Bazan tại Pleiku là cấp thiết nhằm đảm bảo an toàn và hiệu quả cho các công trình cao tầng đang phát triển nhanh chóng tại đây. Mục tiêu chính của nghiên cứu là xác định sự biến đổi các chỉ tiêu cơ lý của đất đỏ Bazan theo mùa, khảo sát thực nghiệm sức chịu tải của cọc đơn và nhóm cọc trên nền đất này, đồng thời so sánh kết quả thực nghiệm với mô phỏng phần mềm Plaxis để đề xuất các khuyến nghị thiết kế và thi công phù hợp. Phạm vi nghiên cứu tập trung vào khu vực Pleiku, với các thí nghiệm được thực hiện trong năm 2017, bao gồm lấy mẫu đất, thí nghiệm trong phòng và hiện trường.

Nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc cung cấp dữ liệu thực nghiệm và mô hình tính toán chính xác, giúp các kỹ sư xây dựng thiết kế móng cọc hiệu quả, tiết kiệm chi phí và đảm bảo an toàn công trình trên nền đất đỏ Bazan có tính biến đổi theo mùa rõ rệt.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu dựa trên các lý thuyết và mô hình sau:

  • Mô hình vật lý thu nhỏ: Sử dụng mô hình cọc BTCT tỷ lệ nhỏ (100x100x2500 mm) để thực hiện thí nghiệm nén tĩnh cọc đơn và nhóm cọc, giúp giảm chi phí và thời gian thí nghiệm, đồng thời mô phỏng được các thuộc tính cơ lý của đất như lực dính và lực ma sát.

  • Tiêu chuẩn Việt Nam TCVN 10304:2014 và TCVN 9393:2012: Áp dụng các phương pháp tính toán sức chịu tải cọc theo vật liệu cọc, đất nền và thí nghiệm hiện trường, bao gồm các công thức Meyerhof và của Viện kiến trúc Nhật Bản để xác định sức chịu tải cực hạn.

  • Hệ số nhóm cọc: Sử dụng các công thức của Converse – Labarre (1941), Sayed và Bakeer (1992), và Das (1998) để đánh giá hiệu ứng nhóm cọc, tức là sự giảm sức chịu tải của nhóm cọc so với tổng sức chịu tải của các cọc đơn lẻ.

  • Mô hình tính toán trong phần mềm Plaxis 3D Foundation: Chọn mô hình Mohr-Coulomb để mô phỏng nền đất đỏ Bazan, với các thông số đầu vào gồm mô-đun đàn hồi (E), hệ số Poisson (ν), lực dính (c), góc ma sát trong (φ) và góc giản nở (ψ). Mô hình này phù hợp với đặc tính đàn hồi tuyến tính và dẻo của đất đỏ Bazan.

Phương pháp nghiên cứu

  • Nguồn dữ liệu: Dữ liệu thu thập từ các thí nghiệm trong phòng và hiện trường tại khu đô thị xã Diên Phú, cách trung tâm Pleiku khoảng 6 km. Lấy mẫu đất ở độ sâu 10 m với 15 mẫu, thực hiện thí nghiệm SPT, xác định các chỉ tiêu cơ lý như độ ẩm, dung trọng tự nhiên, lực dính, góc ma sát.

  • Phương pháp phân tích: Thí nghiệm nén tĩnh cọc đơn và nhóm cọc trên mô hình thu nhỏ, sử dụng quy trình thử tải nhanh với các cấp tải tăng dần từ 10-25% tải trọng thiết kế, giữ tải 10 phút mỗi cấp, dừng khi chuyển vị tăng nhanh. Kết quả thí nghiệm được so sánh với mô phỏng bằng phần mềm Plaxis để đánh giá độ chính xác và hiệu quả mô hình.

  • Timeline nghiên cứu: Lấy mẫu và thí nghiệm trong phòng được thực hiện vào tháng 6 năm 2017 (mùa mưa), thí nghiệm nén tĩnh cọc và mô phỏng Plaxis hoàn thành trong năm 2017. Quá trình nghiên cứu kéo dài trong khoảng 6 tháng, từ khảo sát địa chất đến phân tích kết quả và đề xuất khuyến nghị.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Biến đổi chỉ tiêu cơ lý theo mùa: Độ ẩm đất đỏ Bazan tại Pleiku thay đổi mạnh theo mùa, với độ ẩm trung bình khoảng 25% vào mùa mưa và giảm xuống khoảng 12% vào mùa khô. Độ ẩm cao làm giảm đáng kể lực dính (c) và góc ma sát (φ), từ đó làm giảm sức chịu tải của nền đất.

  2. Sức chịu tải cọc đơn và nhóm cọc: Thí nghiệm nén tĩnh trên mô hình thu nhỏ cho thấy sức chịu tải cực hạn của cọc đơn đạt khoảng 120 kN, trong khi nhóm cọc 5 cọc có sức chịu tải khoảng 450 kN, tương đương khoảng 75% tổng sức chịu tải của các cọc đơn lẻ. Hệ số nhóm cọc được xác định khoảng 0,75, phản ánh hiệu ứng giảm tải do tương tác nhóm.

  3. So sánh kết quả thực nghiệm và mô phỏng Plaxis: Kết quả mô phỏng bằng mô hình Mohr-Coulomb trong Plaxis cho thấy sai số dưới 10% so với kết quả thực nghiệm, khẳng định tính phù hợp của mô hình trong mô phỏng sức chịu tải cọc trên đất đỏ Bazan. Mô phỏng cũng cho thấy sức chịu tải giảm khoảng 20% khi độ ẩm tăng từ 12% lên 25%.

  4. Ảnh hưởng của độ ẩm đến sức chịu tải: Phân tích mô phỏng cho thấy sức chịu tải cọc giảm mạnh khi độ ẩm tăng, đặc biệt trong mùa mưa, làm tăng nguy cơ lún và mất ổn định công trình nếu không tính toán đúng.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính của sự biến đổi sức chịu tải cọc là do đặc tính cơ lý của đất đỏ Bazan thay đổi theo độ ẩm mùa vụ. Mùa mưa làm đất mềm yếu, giảm ma sát và lực dính, dẫn đến giảm sức chịu tải. Kết quả này phù hợp với các nghiên cứu trong nước và quốc tế về đất Bazan và đất sét có tính biến đổi theo mùa.

Hiệu ứng nhóm cọc làm giảm sức chịu tải tổng thể của nhóm so với tổng sức chịu tải các cọc đơn, do sự tương tác giữa các cọc làm giảm ma sát đất quanh cọc. Kết quả thực nghiệm và mô phỏng đều cho thấy hệ số nhóm khoảng 0,75, tương đồng với các công trình nghiên cứu trước đây.

Việc sử dụng mô hình Mohr-Coulomb trong Plaxis được đánh giá là phù hợp với đặc tính đất đỏ Bazan tại Pleiku, giúp mô phỏng chính xác ứng xử của cọc dưới tải trọng. Biểu đồ tải trọng - chuyển vị và chuyển vị - thời gian được sử dụng để minh họa quá trình gia tải và phản ứng của cọc, hỗ trợ phân tích chi tiết.

Kết quả nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc lựa chọn thời điểm khảo sát địa chất (ưu tiên mùa mưa để đảm bảo an toàn), thiết kế móng cọc phù hợp với điều kiện biến đổi của đất, và áp dụng mô hình tính toán chính xác để giảm thiểu rủi ro công trình.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Khảo sát địa chất theo mùa: Thực hiện khảo sát địa chất vào cả mùa mưa và mùa khô, ưu tiên mùa mưa để đánh giá điều kiện đất yếu nhất, từ đó thiết kế móng cọc đảm bảo an toàn và hiệu quả.

  2. Thiết kế móng cọc phù hợp: Áp dụng hệ số nhóm cọc khoảng 0,75 trong thiết kế nhóm cọc để tính toán sức chịu tải thực tế, tránh đánh giá quá cao sức chịu tải tổng thể.

  3. Sử dụng mô hình mô phỏng Plaxis: Áp dụng mô hình Mohr-Coulomb trong phần mềm Plaxis để mô phỏng và dự báo sức chịu tải cọc, giúp tối ưu thiết kế và giảm chi phí thi công. Thời gian áp dụng: ngay trong giai đoạn thiết kế công trình.

  4. Kiểm soát độ ẩm nền đất: Trong thi công móng cọc, cần kiểm soát và xử lý độ ẩm nền đất, đặc biệt trong mùa mưa, bằng các biện pháp như thoát nước, gia cố đất để tăng cường sức chịu tải.

  5. Đào tạo và hướng dẫn kỹ thuật: Tổ chức các khóa đào tạo cho kỹ sư thiết kế và thi công về đặc điểm đất đỏ Bazan và phương pháp tính toán sức chịu tải cọc theo mùa, nhằm nâng cao năng lực chuyên môn và đảm bảo chất lượng công trình.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Kỹ sư thiết kế kết cấu và địa kỹ thuật: Nghiên cứu cung cấp dữ liệu thực nghiệm và mô hình tính toán chính xác giúp thiết kế móng cọc phù hợp với đặc điểm đất đỏ Bazan, giảm thiểu rủi ro công trình.

  2. Nhà thầu thi công móng cọc: Tham khảo các khuyến nghị về thời điểm thi công, kiểm soát độ ẩm và áp dụng các biện pháp gia cố nền đất để đảm bảo chất lượng và tiến độ thi công.

  3. Cơ quan quản lý xây dựng và quy hoạch đô thị: Sử dụng kết quả nghiên cứu để xây dựng các tiêu chuẩn, quy định về khảo sát địa chất và thiết kế móng cọc cho các công trình cao tầng tại Pleiku và khu vực Tây Nguyên.

  4. Giảng viên và sinh viên ngành xây dựng: Tài liệu tham khảo bổ ích cho việc giảng dạy và nghiên cứu chuyên sâu về móng cọc và đặc điểm địa chất đất đỏ Bazan, góp phần nâng cao chất lượng đào tạo.

Câu hỏi thường gặp

  1. Tại sao cần khảo sát đất đỏ Bazan vào mùa mưa?
    Mùa mưa làm tăng độ ẩm đất, làm giảm sức chịu tải của nền đất. Khảo sát vào mùa này giúp đánh giá điều kiện yếu nhất, đảm bảo thiết kế móng cọc an toàn và chính xác hơn.

  2. Hệ số nhóm cọc là gì và tại sao quan trọng?
    Hệ số nhóm cọc phản ánh sự giảm sức chịu tải của nhóm cọc so với tổng sức chịu tải các cọc đơn lẻ do tương tác giữa các cọc. Áp dụng hệ số này giúp thiết kế móng chính xác, tránh tính toán quá cao gây nguy hiểm.

  3. Mô hình Mohr-Coulomb có phù hợp với đất đỏ Bazan không?
    Mô hình Mohr-Coulomb phù hợp với đặc tính đàn hồi tuyến tính và dẻo của đất đỏ Bazan, giúp mô phỏng chính xác ứng xử của đất dưới tải trọng cọc, được xác nhận qua so sánh với kết quả thực nghiệm.

  4. Làm thế nào để kiểm soát độ ẩm nền đất trong thi công?
    Có thể áp dụng các biện pháp thoát nước, gia cố đất bằng vữa xi măng hoặc các vật liệu ổn định khác, đồng thời lựa chọn thời điểm thi công phù hợp để giảm ảnh hưởng của độ ẩm cao.

  5. Kết quả nghiên cứu có thể áp dụng cho các vùng khác không?
    Kết quả chủ yếu áp dụng cho đất đỏ Bazan tại Pleiku và khu vực Tây Nguyên có đặc điểm địa chất tương tự. Với các vùng khác, cần khảo sát và điều chỉnh thông số phù hợp theo đặc điểm địa chất địa phương.

Kết luận

  • Đất đỏ Bazan tại Pleiku có tính biến đổi mạnh theo mùa, ảnh hưởng lớn đến sức chịu tải của móng cọc BTCT.
  • Thí nghiệm nén tĩnh trên mô hình thu nhỏ và mô phỏng Plaxis cho kết quả tương đồng, xác định được sức chịu tải cọc đơn và nhóm cọc, cùng hệ số nhóm khoảng 0,75.
  • Mô hình Mohr-Coulomb trong Plaxis phù hợp để mô phỏng nền đất đỏ Bazan, hỗ trợ thiết kế móng chính xác và an toàn.
  • Khuyến nghị khảo sát địa chất vào mùa mưa, áp dụng hệ số nhóm cọc và kiểm soát độ ẩm nền đất trong thi công để đảm bảo chất lượng công trình.
  • Nghiên cứu cung cấp cơ sở khoa học và thực tiễn cho kỹ sư, nhà thầu và cơ quan quản lý trong phát triển các công trình cao tầng tại Pleiku và Tây Nguyên.

Hành động tiếp theo: Áp dụng kết quả nghiên cứu vào thiết kế và thi công các dự án xây dựng tại Pleiku, đồng thời mở rộng nghiên cứu cho các vùng đất đỏ Bazan khác. Đăng ký tham gia các khóa đào tạo chuyên sâu để cập nhật kiến thức và kỹ thuật mới nhất trong lĩnh vực móng cọc và địa kỹ thuật.