Tổng quan nghiên cứu

Tình trạng sạt trượt bờ sông tại kênh Chợ Gạo, tỉnh Tiền Giang, thuộc khu vực Đồng bằng Sông Cửu Long, đang ở mức báo động với tốc độ sạt trượt trung bình từ 2 đến 3 mét mỗi năm, đặc biệt tại ấp Long Thạnh, xã Quơn Long, có thể lên đến 4 mét mỗi năm. Hiện tượng này gây ra hậu quả nghiêm trọng về kinh tế, an toàn giao thông, hư hại nhà cửa và vật kiến trúc, đồng thời ảnh hưởng tiêu cực đến cảnh quan và môi trường. Trước thực trạng đó, việc nghiên cứu và ứng dụng công nghệ trụ đất xi măng gia cố chống sạt trượt công trình ven kênh là cấp thiết nhằm ổn định giao thông thủy bộ, bảo vệ dân cư và tài sản, đồng thời giảm thiểu tổn thất về thời gian và chi phí.

Mục tiêu nghiên cứu tập trung vào việc xác định hàm lượng xi măng tối ưu, chiều dài, đường kính và khoảng cách các trụ đất xi măng phù hợp với điều kiện địa chất đặc thù của huyện Chợ Gạo. Phạm vi nghiên cứu bao gồm khảo sát địa chất tại huyện Chợ Gạo, tỉnh Tiền Giang, với thời gian nghiên cứu chủ yếu trong năm 2019. Nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc nâng cao hiệu quả gia cố nền đất yếu, góp phần phát triển bền vững các công trình dân dụng và công nghiệp tại khu vực Đồng bằng Sông Cửu Long.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu dựa trên các lý thuyết và mô hình về gia cố nền đất yếu bằng trụ đất xi măng, trong đó có:

  • Phương pháp trộn sâu (Deep Mixing Method - DMM): Kỹ thuật gia cố đất yếu bằng cách trộn xi măng với đất nguyên trạng tại chỗ, tạo thành các trụ đất xi măng có cường độ cao hơn đất tự nhiên nhưng thấp hơn bê tông. Phương pháp này giúp giảm độ lún, tăng cường độ và độ cứng của nền đất.

  • Lý thuyết phá hoại trụ đất xi măng: Bao gồm các dạng phá hoại như phình nén, cắt và xuyên thủng, ảnh hưởng đến khả năng chịu tải của trụ đơn và nhóm trụ. Các dạng phá hoại này được phân tích dựa trên sức kháng cắt của đất nền và vật liệu trụ.

  • Mô hình phần tử hữu hạn (Finite Element Method - FEM): Sử dụng phần mềm Plaxis để mô phỏng và phân tích ổn định, biến dạng của nền đất yếu được gia cố bằng trụ đất xi măng, đánh giá ảnh hưởng của các thông số như chiều dài, đường kính và khoảng cách trụ.

Các khái niệm chính bao gồm: cường độ chịu nén không hạn chế nở hông của đất trộn xi măng, mô đun đàn hồi tương đương của đất và trụ, hệ số an toàn của mái dốc, và các thông số địa chất đặc trưng của lớp đất yếu tại khu vực nghiên cứu.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu chính được thu thập từ khảo sát địa chất thực địa tại huyện Chợ Gạo, tỉnh Tiền Giang, bao gồm kết quả khoan khảo sát, thí nghiệm cơ lý đất và mẫu đất trộn xi măng. Tổng cộng 108 mẫu đất trộn xi măng được chế tạo với các biến đổi về hàm lượng xi măng (10%, 15%, 20%, 25%), tỷ lệ tổng lượng nước trên xi măng (3, 4, 5), và thời gian bảo dưỡng (7, 14, 28 ngày).

Phương pháp phân tích bao gồm:

  • Thí nghiệm nén một trục không hạn chế nở hông để xác định cường độ chịu nén của mẫu đất trộn xi măng.

  • Mô phỏng số bằng phần mềm Plaxis 8.2, sử dụng mô hình phần tử hữu hạn hai chiều dựa trên mặt cắt ngang thực tế của kênh Chợ Gạo. Các mô hình được xây dựng với 27 trường hợp biến đổi chiều dài trụ (2,9 m; 6,6 m; 10,3 m), đường kính trụ (0,6 m; 0,8 m; 1,0 m), và khoảng cách trụ (0,6 m đến 1,4 m).

  • Phân tích ổn định mái dốc và biến dạng nền đất dưới các điều kiện mực nước lớn nhất và nhỏ nhất.

Timeline nghiên cứu kéo dài trong năm 2019, từ khảo sát, thí nghiệm đến mô phỏng và phân tích kết quả.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Hàm lượng xi măng tối ưu: Cường độ nén không hạn chế nở hông của mẫu đất trộn xi măng tăng nhanh đến khi hàm lượng xi măng đạt 20%, sau đó tăng chậm hơn. Cường độ mẫu đạt giá trị cao nhất khoảng 2.000 kPa, gấp 10 lần so với đất yếu tự nhiên (khoảng 200 kPa).

  2. Ảnh hưởng tỷ lệ nước trên xi măng (wT/c): Khi tỷ lệ này tăng từ 3 lên 5, cường độ chịu nén giảm rõ rệt, đặc biệt khi vượt quá giới hạn chảy của đất tự nhiên (47,59%). Do đó, tỷ lệ nước nên được kiểm soát gần giới hạn chảy để đảm bảo cường độ tối ưu.

  3. Chiều dài, đường kính và khoảng cách trụ: Mô phỏng FEM cho thấy cấu hình trụ đất xi măng có đường kính 0,6 m, chiều dài 10,3 m và khoảng cách 1,0 m là tối ưu để ổn định mái dốc kênh Chợ Gạo. Hệ số an toàn mái dốc sau gia cố đạt trên 1,5, tăng khoảng 30% so với trạng thái chưa gia cố.

  4. Chuyển vị mái dốc: Khi mực nước trong kênh ở mức lớn nhất, chuyển vị ngang mái dốc giảm từ khoảng 15 mm xuống còn dưới 5 mm sau khi gia cố bằng trụ đất xi măng, thể hiện hiệu quả rõ rệt trong việc hạn chế sạt trượt.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính của sự gia tăng cường độ là do phản ứng thủy hóa của xi măng với nước trong đất, tạo thành keo C-S-H liên kết các hạt đất, tăng độ bền và độ cứng. Việc kiểm soát tỷ lệ nước trên xi măng gần giới hạn chảy giúp tối ưu hóa quá trình này, tránh hiện tượng quá ẩm làm giảm cường độ.

So với các nghiên cứu trước đây tại Nhật Bản và Scandinavia, kết quả tương đồng về hiệu quả của trụ đất xi măng trong gia cố nền đất yếu, tuy nhiên nghiên cứu này tập trung vào điều kiện địa chất đặc thù của Đồng bằng Sông Cửu Long với lớp đất sét dày và độ ẩm cao.

Việc sử dụng phần mềm Plaxis cho phép mô phỏng chính xác các điều kiện thực tế, hỗ trợ đánh giá hiệu quả gia cố và đề xuất cấu hình trụ phù hợp. Kết quả có thể được trình bày qua biểu đồ cường độ chịu nén theo hàm lượng xi măng, đồ thị chuyển vị mái dốc trước và sau gia cố, cũng như bảng hệ số an toàn các trường hợp mô phỏng.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Áp dụng hàm lượng xi măng 20% trong quá trình thi công trụ đất xi măng để đảm bảo cường độ chịu nén tối ưu, giảm thiểu chi phí vật liệu và thời gian bảo dưỡng.

  2. Thiết kế trụ đất xi măng với đường kính 0,6 m, chiều dài 10,3 m và khoảng cách 1,0 m để gia cố mái dốc kênh Chợ Gạo, đảm bảo hệ số an toàn trên 1,5 và hạn chế chuyển vị ngang dưới 5 mm.

  3. Kiểm soát tỷ lệ tổng lượng nước trên xi măng (wT/c) ở mức khoảng 3 đến 4 để tránh giảm cường độ do quá ẩm, đồng thời duy trì điều kiện bảo dưỡng trong môi trường nước ngọt ít nhất 28 ngày.

  4. Sử dụng phần mềm mô phỏng FEM như Plaxis trong thiết kế và đánh giá các công trình gia cố nền đất yếu nhằm tối ưu hóa cấu hình trụ và dự báo hiệu quả lâu dài.

  5. Chủ thể thực hiện: Các cơ quan quản lý xây dựng, nhà thầu thi công và các đơn vị tư vấn kỹ thuật tại địa phương cần phối hợp triển khai các giải pháp trên trong vòng 1-2 năm tới để ứng phó kịp thời với tình trạng sạt trượt.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Kỹ sư xây dựng và địa kỹ thuật: Nắm bắt kiến thức chuyên sâu về công nghệ trụ đất xi măng, phương pháp thí nghiệm và mô phỏng FEM để áp dụng trong thiết kế và thi công các công trình gia cố nền đất yếu.

  2. Cơ quan quản lý xây dựng và giao thông: Sử dụng kết quả nghiên cứu để lập kế hoạch, chính sách và giám sát các dự án chống sạt trượt bờ sông, đảm bảo an toàn giao thông thủy bộ và phát triển bền vững.

  3. Nhà thầu thi công công trình dân dụng và công nghiệp: Áp dụng các thông số kỹ thuật và quy trình thi công trụ đất xi măng hiệu quả, tiết kiệm chi phí và thời gian, đồng thời giảm thiểu tác động môi trường.

  4. Các nhà nghiên cứu và sinh viên chuyên ngành kỹ thuật xây dựng: Tham khảo phương pháp nghiên cứu, thí nghiệm và mô phỏng để phát triển các đề tài nghiên cứu tiếp theo về gia cố nền đất yếu và công nghệ xây dựng bền vững.

Câu hỏi thường gặp

  1. Trụ đất xi măng là gì và tại sao được sử dụng để gia cố nền đất yếu?
    Trụ đất xi măng là hỗn hợp đất nguyên trạng được trộn với xi măng tạo thành các trụ có cường độ cao hơn đất tự nhiên. Phương pháp này giúp tăng cường độ, giảm độ lún và ổn định nền đất yếu, đặc biệt hiệu quả trong các khu vực có lớp đất sét dày và ẩm như Đồng bằng Sông Cửu Long.

  2. Hàm lượng xi măng tối ưu cho gia cố nền đất yếu là bao nhiêu?
    Nghiên cứu cho thấy hàm lượng xi măng 20% là tối ưu, giúp mẫu đất trộn đạt cường độ chịu nén cao nhất, đồng thời cân bằng giữa hiệu quả kỹ thuật và chi phí vật liệu.

  3. Tại sao cần kiểm soát tỷ lệ nước trên xi măng (wT/c)?
    Tỷ lệ này ảnh hưởng trực tiếp đến quá trình thủy hóa và cường độ của trụ đất xi măng. Nếu quá cao, cường độ giảm do đất quá ẩm; nếu quá thấp, hỗn hợp khó trộn đều. Kiểm soát wT/c gần giới hạn chảy của đất giúp đạt hiệu quả gia cố tốt nhất.

  4. Phần mềm Plaxis được sử dụng như thế nào trong nghiên cứu?
    Plaxis là phần mềm mô phỏng phần tử hữu hạn chuyên dụng trong địa kỹ thuật, giúp phân tích ổn định, biến dạng và ứng suất của nền đất yếu được gia cố, từ đó đề xuất cấu hình trụ đất xi măng phù hợp với điều kiện thực tế.

  5. Giải pháp trụ đất xi măng có ưu điểm gì so với các phương pháp gia cố khác?
    Phương pháp thi công nhanh, không phát sinh nhiều chất thải, không gây lún thứ cấp hay ảnh hưởng đến công trình lân cận, đồng thời thân thiện với môi trường và phù hợp với điều kiện địa chất phức tạp.

Kết luận

  • Nghiên cứu xác định hàm lượng xi măng 20% là phù hợp nhất để gia cố nền đất yếu tại huyện Chợ Gạo, tỉnh Tiền Giang.
  • Cấu hình trụ đất xi măng với đường kính 0,6 m, chiều dài 10,3 m và khoảng cách 1,0 m tối ưu cho việc chống sạt trượt mái dốc kênh Chợ Gạo.
  • Phương pháp trộn sâu (DMM) và mô phỏng phần tử hữu hạn (FEM) là công cụ hiệu quả trong thiết kế và đánh giá gia cố nền đất yếu.
  • Giải pháp trụ đất xi măng giúp giảm chuyển vị mái dốc, tăng hệ số an toàn và hạn chế tổn thất kinh tế, xã hội do sạt trượt.
  • Khuyến nghị triển khai áp dụng trong vòng 1-2 năm tới nhằm bảo vệ công trình và cộng đồng dân cư khu vực Đồng bằng Sông Cửu Long.

Để tiếp tục phát triển và ứng dụng công nghệ này, các nhà quản lý và kỹ sư xây dựng nên phối hợp nghiên cứu mở rộng phạm vi và điều kiện địa chất khác nhau, đồng thời cập nhật các công nghệ mới nhằm nâng cao hiệu quả và tính bền vững của các công trình gia cố nền đất yếu.