Tổng quan nghiên cứu

Tỉnh Kiên Giang thuộc vùng Đồng bằng sông Cửu Long có đặc điểm địa chất phức tạp với lớp đất sét yếu dày từ 10 đến 30 mét, chứa hàm lượng hữu cơ từ 2 đến 5%, độ dẻo cao (chỉ số dẻo từ 80 đến 100) và sức kháng cắt thấp. Những đặc tính này gây ra nhiều khó khăn trong việc xây dựng và nâng cấp hệ thống đê nông thôn, đặc biệt là các công trình giao thông trên nền đất yếu. Thực tế tại tỉnh lộ 965 đã ghi nhận 11 điểm sạt lở nghiêm trọng với chiều sâu sạt lở lên đến 2 mét, làm hư hỏng hoàn toàn nhiều nhà dân, gây thiệt hại lớn về kinh tế và xã hội.

Mục tiêu nghiên cứu của luận văn là làm sáng tỏ đặc tính địa chất công trình của đất sét yếu tại Kiên Giang, từ đó nghiên cứu ứng xử và tối ưu tấm bê tông cốt thép (BTCT) làm nền cho các công trình đê nông thôn nhằm tăng cường độ bền vững, giảm thiểu sụp lún và tiết kiệm chi phí xây dựng. Phạm vi nghiên cứu tập trung vào các địa chất điển hình tại xã Tiên Hải, thị xã Hà Tiên, tỉnh Kiên Giang, với thời gian thực hiện từ năm 2016 đến 2018. Kết quả nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc phòng chống sụp lún nền đê, nâng cao hiệu quả quản lý và bảo trì hệ thống giao thông nông thôn tại địa phương.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên các lý thuyết và mô hình địa chất công trình, bao gồm:

  • Lý thuyết đất nền và cơ học đất: Phân tích tính chất vật lý và cơ học của đất sét yếu, bao gồm giới hạn chảy, giới hạn dẻo, chỉ số dẻo, sức kháng cắt, mô đun đàn hồi và hệ số cố kết theo phương ngang (ch). Các thông số này được xác định qua thí nghiệm nén cố kết, cắt trực tiếp và đầm chặt.

  • Mô hình phần tử hữu hạn (FEM) với phần mềm Plaxis 3D: Mô phỏng ứng xử của tấm BTCT trên nền đất yếu, phân tích chuyển vị lún, ứng suất và nội lực trong tấm BTCT dưới các điều kiện tải trọng khác nhau. Mô hình sử dụng các thông số cơ lý đất nền đã được xác định thực nghiệm, phân loại đất theo trạng thái thoát nước (Drained, Undrained), và tính toán hệ số thấm, mô đun đàn hồi, hệ số Poisson.

  • Khái niệm chính: Đất sét yếu, tấm bê tông cốt thép (BTCT), sức kháng cắt, mô đun đàn hồi, hệ số cố kết, chuyển vị lún, mô hình phần tử hữu hạn, tối ưu kích thước tấm BTCT.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu chính bao gồm mẫu đất sét yếu lấy tại xã Tiên Hải, thị xã Hà Tiên, được phân tích trong phòng thí nghiệm để xác định thành phần hạt, độ ẩm tối ưu, giới hạn chảy, giới hạn dẻo, sức kháng cắt và mô đun đàn hồi. Cỡ mẫu thí nghiệm gồm nhiều mẫu đất được chuẩn bị theo độ đầm chặt K95 và K90 để đánh giá tính đồng nhất.

Phương pháp phân tích sử dụng phần mềm Plaxis 3D Foundation để mô phỏng ứng xử tấm BTCT trên nền đất yếu với các kích thước tấm khác nhau (chiều dày từ 100 đến 160 mm, mặt đường rộng 2,5 m và 3,0 m). Quá trình mô phỏng gồm các giai đoạn: nền tự nhiên, xây dựng tường chắn, đắp đất, đặt tấm BTCT và áp dụng tải trọng hoạt tải xe. Kết quả mô phỏng được so sánh với các thiết kế mẫu mặt đường giao thông nông thôn hiện hành tại Kiên Giang để đánh giá hiệu quả kỹ thuật và kinh tế.

Timeline nghiên cứu kéo dài từ năm 2016 đến 2018, bao gồm thu thập mẫu, thí nghiệm vật lý và cơ học đất, mô phỏng số liệu và phân tích kết quả.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Tính chất vật lý và cơ học của đất sét yếu tại xã Tiên Hải: Đất thuộc loại sét vô cơ dẻo cao (CH) với độ ẩm tối ưu WOMC = 26,4%, dung trọng khô tối đa γd max = 1,44 g/cm³, chỉ số dẻo PI = 53,5%, lực dính C = 44,8 kPa và góc ma sát trong φ = 14°30'. Mô đun đàn hồi Eđh đo được là 17.000 kPa, hệ số thấm Kx và Ky khoảng 4x10⁻⁶ m/ngày.

  2. Ứng xử tấm BTCT trên nền đất sét yếu qua mô phỏng Plaxis 3D: Khi tải trọng không đổi, nội lực trong tấm BTCT không biến đổi đáng kể giữa các mức độ đầm chặt K95 và K90. Độ lún chủ yếu phụ thuộc vào chiều dày tấm BTCT. Tấm BTCT dày 100 mm cho thấy sự cân bằng tối ưu giữa khả năng chịu lực và hạn chế lún, hiệu quả hơn so với các thiết kế mẫu mặt đường nông thôn hiện tại.

  3. So sánh hiệu quả kinh tế: Việc giảm chiều dày tấm BTCT từ 120 mm xuống 100 mm giúp tiết kiệm chi phí vật liệu khoảng 6 triệu đồng cho chiều dài 50 m, đồng thời vẫn đảm bảo độ bền và ổn định công trình. Đây là giải pháp tối ưu phù hợp với điều kiện kinh tế và kỹ thuật tại Kiên Giang.

  4. Kiểm tra sức chịu tải nền đất: Sức chịu tải tiêu chuẩn của nền đất dưới móng được xác định khoảng 220 kN/m², đảm bảo khả năng chịu lực cho các công trình đê nông thôn với kích thước móng 1,5 x 3 m.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính gây ra hiện tượng sụp lún và hư hỏng nền đê là do đặc tính cơ lý yếu kém của lớp đất sét, đặc biệt là độ dẻo cao và sức kháng cắt thấp. Việc sử dụng tấm BTCT làm nền giúp phân phối tải trọng đều hơn, giảm áp lực tập trung lên đất nền, từ đó hạn chế sụp lún.

So với các nghiên cứu trước đây về đất yếu tại Đồng bằng sông Cửu Long, luận văn đã bổ sung thêm phân tích chi tiết về ứng xử tấm BTCT trên nền đất sét yếu, đồng thời áp dụng mô hình phần tử hữu hạn Plaxis 3D để mô phỏng chính xác hơn các điều kiện thực tế. Kết quả mô phỏng cho thấy sự phù hợp cao với các số liệu thí nghiệm và thực tế thi công, khẳng định tính khả thi của giải pháp tối ưu tấm BTCT dày 100 mm.

Việc giảm chiều dày tấm BTCT không chỉ giảm chi phí vật liệu mà còn giảm áp lực lên nền đất, góp phần kéo dài tuổi thọ công trình. Kết quả này có thể được trình bày qua biểu đồ tương quan giữa độ lún và chiều dày tấm BTCT, cũng như bảng so sánh chi phí thi công các phương án thiết kế.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Áp dụng tấm BTCT dày 100 mm làm nền cho các công trình đê nông thôn tại Kiên Giang nhằm tối ưu chi phí và đảm bảo độ bền vững công trình. Thời gian thực hiện trong vòng 1-2 năm, chủ thể thực hiện là các đơn vị thi công và quản lý công trình địa phương.

  2. Tăng cường công tác khảo sát địa chất công trình trước khi thi công để xác định chính xác đặc tính đất nền, từ đó lựa chọn phương án xử lý phù hợp. Đề xuất triển khai định kỳ hàng năm bởi các cơ quan chuyên môn.

  3. Sử dụng phần mềm mô phỏng Plaxis 3D trong thiết kế và đánh giá công trình nhằm dự báo chính xác ứng xử của tấm BTCT và nền đất, giúp giảm thiểu rủi ro và chi phí sửa chữa sau thi công. Khuyến khích đào tạo kỹ thuật viên và kỹ sư địa kỹ thuật trong 6 tháng tới.

  4. Phát triển các giải pháp xử lý nền đất yếu kết hợp với gia cố vật liệu nhẹ hoặc cọc đất gia cố vôi để nâng cao khả năng chịu tải và rút ngắn thời gian cố kết đất. Chủ thể thực hiện là các viện nghiên cứu và doanh nghiệp xây dựng trong 3-5 năm tới.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Kỹ sư xây dựng và địa kỹ thuật: Nắm bắt các phương pháp khảo sát, phân tích và xử lý nền đất yếu, áp dụng mô hình phần tử hữu hạn trong thiết kế công trình.

  2. Nhà quản lý dự án và cơ quan quản lý giao thông nông thôn: Hiểu rõ nguyên nhân và giải pháp phòng chống sụp lún nền đê, từ đó lập kế hoạch đầu tư và bảo trì hiệu quả.

  3. Các đơn vị thi công xây dựng công trình đê và giao thông nông thôn: Áp dụng các kết quả nghiên cứu để lựa chọn vật liệu, thiết kế tấm BTCT tối ưu, giảm chi phí và nâng cao chất lượng công trình.

  4. Nhà nghiên cứu và sinh viên ngành kỹ thuật xây dựng: Tham khảo phương pháp nghiên cứu, mô hình hóa và phân tích ứng xử công trình trên nền đất yếu, phục vụ cho các đề tài nghiên cứu tiếp theo.

Câu hỏi thường gặp

  1. Tại sao đất sét yếu lại gây khó khăn cho xây dựng công trình đê?
    Đất sét yếu có độ dẻo cao, sức kháng cắt thấp và độ nén lún lớn, dễ bị biến dạng và sụp lún dưới tải trọng công trình, gây mất ổn định và hư hỏng kết cấu.

  2. Tấm bê tông cốt thép (BTCT) có vai trò gì trong xử lý nền đất yếu?
    Tấm BTCT phân phối tải trọng đều lên nền đất, giảm áp lực tập trung, hạn chế sụp lún và tăng độ bền vững cho công trình đê và đường giao thông nông thôn.

  3. Phần mềm Plaxis 3D được sử dụng như thế nào trong nghiên cứu này?
    Plaxis 3D mô phỏng ứng xử cơ học của tấm BTCT và nền đất dưới các điều kiện tải trọng khác nhau, giúp đánh giá chuyển vị lún, ứng suất và nội lực chính xác, hỗ trợ tối ưu thiết kế.

  4. Chiều dày tấm BTCT tối ưu là bao nhiêu và tại sao?
    Chiều dày 100 mm được xác định là tối ưu vì vừa đảm bảo khả năng chịu lực và hạn chế lún, vừa tiết kiệm chi phí vật liệu so với các thiết kế dày hơn như 120 mm hoặc 140 mm.

  5. Giải pháp nào giúp giảm chi phí xây dựng công trình trên nền đất sét yếu?
    Ngoài tối ưu chiều dày tấm BTCT, việc khảo sát kỹ địa chất, sử dụng vật liệu nhẹ, gia cố đất bằng vôi hoặc cọc đất, và áp dụng mô hình số để thiết kế chính xác đều góp phần giảm chi phí và tăng hiệu quả công trình.

Kết luận

  • Đất sét yếu tại Kiên Giang có đặc tính cơ lý đặc trưng là độ dẻo cao, sức kháng cắt thấp và mô đun đàn hồi trung bình 17.000 kPa, gây khó khăn cho xây dựng nền đê.
  • Mô phỏng Plaxis 3D cho thấy tấm BTCT dày 100 mm là giải pháp tối ưu, cân bằng giữa khả năng chịu lực và hạn chế sụp lún.
  • Giảm chiều dày tấm BTCT từ 120 mm xuống 100 mm giúp tiết kiệm chi phí vật liệu khoảng 6 triệu đồng cho 50 m chiều dài công trình.
  • Kết quả nghiên cứu cung cấp cơ sở khoa học và thực tiễn để áp dụng hiệu quả trong phòng chống sụp lún nền đê nông thôn tại Kiên Giang.
  • Đề xuất triển khai áp dụng giải pháp tối ưu trong 1-2 năm tới, đồng thời mở rộng nghiên cứu các phương pháp gia cố nền đất yếu kết hợp để nâng cao hiệu quả công trình.

Hành động tiếp theo là tổ chức các khóa đào tạo kỹ thuật cho cán bộ quản lý và kỹ sư thi công, đồng thời áp dụng mô hình Plaxis 3D trong thiết kế các dự án xây dựng đê nông thôn tại địa phương.