Tổng quan nghiên cứu

Tỉnh Kiên Giang thuộc Đồng bằng sông Cửu Long có địa chất đặc trưng bởi các lớp đất sét yếu với chiều dày từ 1 đến 30 mét, phân bố không đồng đều và thường bị nhiễm muối, phèn cùng hàm lượng hữu cơ từ 2 đến 5%. Qua khảo sát thực tế tại các huyện Vĩnh Thuận, Gò Quao, U Minh Thượng và An Minh, lớp đất sét màu xám có trạng thái chảy với chiều dày từ 10 đến 23 mét, gây nhiều khó khăn trong việc xây dựng và nâng cấp hệ thống giao thông nông thôn. Tình trạng sụp lún, trượt nền đường đã xảy ra trên nhiều tuyến đê bao, điển hình như tuyến Tỉnh lộ 965 với 11 điểm sạt lở nghiêm trọng, làm hư hỏng nhiều công trình dân sinh.

Mục tiêu nghiên cứu tập trung vào việc ứng dụng đệm cát gia cường kết hợp với vải địa kỹ thuật nhằm cải thiện tính ổn định và giảm độ lún của nền bùn sét yếu làm nền đê nông thôn tại Kiên Giang. Phạm vi nghiên cứu bao gồm khảo sát đặc tính cơ lý của đất sét yếu, mô phỏng ứng xử lún và hệ số an toàn của nền đất gia cường theo chiều cao đắp nền, đồng thời kiểm nghiệm kết quả mô phỏng với công trình thực tế tại địa phương. Nghiên cứu có ý nghĩa thiết thực trong việc giảm chi phí xây dựng, tận dụng đất nạo vét lòng sông làm vật liệu đắp, đồng thời nâng cao độ bền vững và tuổi thọ công trình giao thông nông thôn.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn (FEM) với phần mềm Plaxis 2D để mô phỏng ứng xử cơ học của nền đất sét yếu được gia cường bằng đệm cát và vải địa kỹ thuật. Hai lý thuyết chính được áp dụng gồm:

  • Mô hình Mohr-Coulomb: Mô hình này dùng để mô phỏng đặc tính cơ học của đất, trong đó sức kháng cắt của đất được biểu diễn qua lực dính (C) và góc ma sát trong (φ). Hệ số an toàn (Msf) được xác định bằng phương pháp giảm C-φ, giảm dần các tham số này đến khi xảy ra phá hoại.

  • Phương pháp phần tử hữu hạn (FEM): Cho phép mô phỏng ứng xử biến dạng, lún và phân bố ứng suất trong nền đất dưới tác động của tải trọng và các biện pháp gia cường. Phần mềm Plaxis 2D được sử dụng để phân tích ổn định và lún cố kết của nền đất.

Các khái niệm chính bao gồm: đất sét yếu (đất sét béo CH), đệm cát gia cường, vải địa kỹ thuật, hệ số an toàn (Msf), độ lún cố kết (St), và chỉ số dẻo (PI).

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu chính bao gồm kết quả thí nghiệm xác định thành phần hạt, tính chất cơ lý của đất sét yếu tại các huyện thuộc tỉnh Kiên Giang, cùng số liệu quan trắc độ lún thực tế tại công trình nền đường gia cường. Cỡ mẫu thí nghiệm gồm nhiều mẫu đất lấy từ các vị trí khác nhau với độ sâu đến 30 mét.

Phương pháp phân tích sử dụng mô phỏng phần tử hữu hạn trên phần mềm Plaxis 2D, với các thông số đầu vào được xác định từ thí nghiệm như mô-đun biến dạng, hệ số Poisson, lực dính, góc ma sát trong, và trọng lượng thể tích đất. Phương pháp chọn mẫu là lấy mẫu đại diện tại các vị trí có đặc tính địa chất điển hình. Timeline nghiên cứu kéo dài từ khảo sát địa chất, thí nghiệm, mô phỏng đến kiểm nghiệm kết quả thực tế trong khoảng thời gian 2016-2018.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Ảnh hưởng của đệm cát gia cường đến hệ số an toàn và độ lún: Kết quả mô phỏng cho thấy đệm cát gia cường làm tăng hệ số an toàn Msf lên đáng kể, từ dưới 1 (nền không gia cường) lên trên 1, đảm bảo ổn định công trình. Đồng thời, độ lún cố kết St giảm rõ rệt, với giá trị lún dưới 7 cm khi chiều dày đệm cát không vượt quá 2.5 m.

  2. Tối ưu chiều cao đắp nền đất (H): Qua phân tích các trường hợp chiều cao đắp từ 1.5 m đến 3.0 m, chiều cao tối ưu được đề xuất là không vượt quá 2.5 m để đảm bảo độ lún và hệ số an toàn phù hợp với tiêu chuẩn kỹ thuật. Chiều cao lớn hơn dẫn đến độ lún tăng nhanh và hệ số an toàn giảm.

  3. Hiệu quả của vải địa kỹ thuật kết hợp đệm cát: Vải địa kỹ thuật đóng vai trò ngăn cách đất bùn và đệm cát, ngăn chặn sự xâm nhập của đất vào lớp cát, đồng thời phân bố đều áp lực đất đắp, tăng cường khả năng chịu tải và ổn định nền đường.

  4. Kiểm nghiệm với công trình thực tế: Kết quả mô phỏng tương quan tốt với số liệu quan trắc độ lún nền đường tại công trình thực tế ở Kiên Giang, với sai số trong khoảng 5-10%, chứng minh tính khả thi và độ tin cậy của mô hình.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính làm nền đất yếu dễ bị sụp lún là do đặc tính cơ lý kém của đất sét béo CH, với lực dính thấp (khoảng 4.09 kPa) và góc ma sát trong nhỏ (khoảng 7.38°). Việc sử dụng đệm cát tạo biên thoát nước ngang giúp đẩy nhanh quá trình cố kết, giảm áp lực lỗ rỗng và độ lún. Vải địa kỹ thuật tăng cường phân bố ứng suất, ngăn chặn biến dạng ngang, từ đó nâng cao hệ số an toàn.

So sánh với các nghiên cứu trong nước và quốc tế, kết quả phù hợp với các báo cáo về hiệu quả của đệm cát và vải địa kỹ thuật trong gia cố nền đất yếu. Tuy nhiên, nghiên cứu này có điểm mới là tập trung vào đất bùn sét yếu đặc trưng của Kiên Giang, tận dụng đất nạo vét lòng sông làm vật liệu đắp, góp phần giảm chi phí và bảo vệ môi trường.

Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ tương quan giữa chiều cao đắp nền và hệ số an toàn, cũng như biểu đồ độ lún theo thời gian cho các trường hợp gia cường và không gia cường, giúp minh họa rõ ràng hiệu quả của biện pháp gia cường.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Áp dụng chiều dày đệm cát tối đa 2.5 m cho nền đê nông thôn tại Kiên Giang nhằm đảm bảo độ lún dưới 7 cm và hệ số an toàn trên 1, giúp nâng cao độ bền và tuổi thọ công trình.

  2. Sử dụng kết hợp vải địa kỹ thuật chất lượng cao để ngăn cách đất bùn và đệm cát, tăng cường phân bố ứng suất và hạn chế biến dạng ngang, nên được thực hiện đồng thời với đệm cát.

  3. Tận dụng đất nạo vét lòng sông làm vật liệu đắp nhằm giảm chi phí xây dựng và bảo vệ môi trường, đồng thời cần kiểm soát chất lượng đất đắp qua thí nghiệm cơ lý trước khi thi công.

  4. Theo dõi và kiểm tra độ lún nền đường định kỳ trong vòng 6 tháng đầu sau thi công để đánh giá hiệu quả gia cường và kịp thời xử lý các sự cố phát sinh.

  5. Chủ thể thực hiện: Các cơ quan quản lý giao thông nông thôn, đơn vị thi công và tư vấn thiết kế cần phối hợp chặt chẽ để áp dụng các giải pháp trên, đồng thời đào tạo kỹ thuật viên về công nghệ gia cường nền đất yếu.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Kỹ sư xây dựng công trình giao thông: Nắm bắt phương pháp gia cường nền đất yếu bằng đệm cát và vải địa kỹ thuật, áp dụng vào thiết kế và thi công các công trình đường đê nông thôn.

  2. Nhà quản lý dự án và cơ quan quản lý giao thông: Hiểu rõ đặc tính địa chất và giải pháp xử lý nền đất yếu, từ đó lập kế hoạch đầu tư và giám sát thi công hiệu quả.

  3. Các nhà nghiên cứu và sinh viên ngành kỹ thuật xây dựng: Tham khảo phương pháp mô phỏng phần tử hữu hạn, phân tích ứng xử cơ học của nền đất yếu và ứng dụng thực tiễn tại vùng Đồng bằng sông Cửu Long.

  4. Đơn vị thi công và tư vấn thiết kế: Áp dụng kết quả nghiên cứu để lựa chọn vật liệu, thiết kế lớp gia cường phù hợp, giảm thiểu rủi ro và chi phí phát sinh trong quá trình thi công.

Câu hỏi thường gặp

  1. Đệm cát gia cường có tác dụng gì đối với nền đất yếu?
    Đệm cát tạo biên thoát nước ngang, giúp đẩy nhanh quá trình cố kết đất sét yếu, giảm độ lún và tăng hệ số an toàn cho nền đường. Ví dụ, khi sử dụng đệm cát dày 2.5 m, độ lún giảm dưới 7 cm.

  2. Tại sao cần kết hợp vải địa kỹ thuật với đệm cát?
    Vải địa kỹ thuật ngăn cách đất bùn và đệm cát, ngăn chặn sự xâm nhập của đất vào lớp cát, đồng thời phân bố đều áp lực đất đắp, tăng cường khả năng chịu tải và ổn định nền đường.

  3. Chiều cao đắp nền tối ưu là bao nhiêu?
    Nghiên cứu đề xuất chiều cao đắp nền không vượt quá 2.5 m để đảm bảo độ lún và hệ số an toàn phù hợp, tránh hiện tượng sụp lún và mất ổn định.

  4. Phương pháp mô phỏng phần tử hữu hạn có độ chính xác thế nào?
    Kết quả mô phỏng trên Plaxis 2D tương quan tốt với số liệu quan trắc thực tế, sai số trong khoảng 5-10%, chứng tỏ độ tin cậy cao trong dự báo ứng xử nền đất.

  5. Làm thế nào để tận dụng đất nạo vét lòng sông trong xây dựng?
    Đất nạo vét được xử lý và gia cường bằng vải địa kỹ thuật kết hợp đệm cát, vừa giảm chi phí vật liệu vừa bảo vệ môi trường, đồng thời nâng cao hiệu quả thi công nền đường.

Kết luận

  • Đệm cát gia cường kết hợp vải địa kỹ thuật hiệu quả trong việc tăng hệ số an toàn và giảm độ lún nền đất sét yếu tại Kiên Giang.
  • Chiều dày đệm cát tối ưu không vượt quá 2.5 m để đảm bảo độ lún dưới 7 cm và hệ số an toàn trên 1.
  • Mô phỏng phần tử hữu hạn Plaxis 2D cho kết quả phù hợp với quan trắc thực tế, chứng minh tính khả thi của phương pháp.
  • Nghiên cứu góp phần tiết kiệm chi phí xây dựng bằng cách tận dụng đất nạo vét lòng sông làm vật liệu đắp.
  • Khuyến nghị áp dụng giải pháp này trong thiết kế và thi công nền đê nông thôn, đồng thời theo dõi độ lún sau thi công để đảm bảo an toàn công trình.

Tiếp theo, các đơn vị quản lý và thi công nên triển khai áp dụng biện pháp gia cường này trong các dự án thực tế, đồng thời mở rộng nghiên cứu để tối ưu hóa thiết kế và nâng cao hiệu quả sử dụng vật liệu địa phương.