Tổng quan nghiên cứu

Trong những năm gần đây, khu vực Đồng bằng sông Cửu Long, đặc biệt là tỉnh Sóc Trăng, chứng kiến sự gia tăng nhanh chóng về quy mô, số lượng và chất lượng các công trình xây dựng hạ tầng giao thông. Tuy nhiên, nền đất yếu đặc trưng với sức chịu tải thấp và độ lún lớn đã gây ra nhiều khó khăn trong việc đảm bảo ổn định và tuổi thọ công trình, đặc biệt là tại các vị trí tiếp giáp giữa đường dẫn và mố cầu. Theo thống kê năm 2008, có khoảng 43 cây cầu tại Sóc Trăng bị hiện tượng lún cục bộ vượt quá giới hạn cho phép, gây ảnh hưởng nghiêm trọng đến an toàn giao thông và chi phí bảo trì. Hiện tượng này chưa được giải quyết triệt để, đòi hỏi các giải pháp gia cố nền đất hiệu quả.

Mục tiêu nghiên cứu tập trung vào việc ứng dụng giải pháp trụ đất xi măng để xử lý nền đất yếu tại đoạn đường dẫn đầu cầu Ông Điệp, tỉnh Sóc Trăng. Nghiên cứu nhằm xác định hàm lượng xi măng thích hợp, đánh giá cường độ chịu nén của trụ đất xi măng, từ đó thiết kế và tính toán giải pháp gia cố nền nhằm giảm độ lún, tăng sức chịu tải và đảm bảo ổn định công trình. Phạm vi nghiên cứu bao gồm khảo sát thực địa, thí nghiệm mẫu đất trộn xi măng, tính toán thiết kế và mô phỏng bằng phần mềm Plaxis 2D trong khoảng thời gian từ tháng 8 đến tháng 12 năm 2018.

Ý nghĩa nghiên cứu được thể hiện qua việc cung cấp cơ sở khoa học và thực tiễn cho việc lựa chọn giải pháp xử lý nền đất yếu phù hợp tại khu vực Đồng bằng sông Cửu Long, góp phần nâng cao chất lượng, tuổi thọ công trình giao thông, giảm thiểu chi phí bảo trì và tăng cường an toàn giao thông.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên ba quan điểm tính toán trụ đất xi măng chính:

  1. Quan điểm trụ đất xi măng làm việc như trụ cứng: Tính toán sức chịu tải và mô men của từng trụ dựa trên các tiêu chuẩn về cường độ và biến dạng, đảm bảo nội lực và chuyển vị trong giới hạn cho phép.

  2. Quan điểm nền tương đương: Xem trụ đất xi măng và đất nền xung quanh như một khối đồng nhất với các thông số cơ lý được nâng cao, tính toán dựa trên tỷ lệ diện tích thay thế trụ trên diện tích đất yếu.

  3. Quan điểm hỗn hợp của Viện Kỹ thuật Châu Á (AIT): Kết hợp tính toán sức chịu tải của trụ đơn và nhóm trụ dựa trên sức kháng cắt của đất xung quanh và vật liệu trụ, đồng thời tính toán biến dạng lún tổng cộng gồm lún cục bộ của khối gia cố và lún của đất nền bên dưới.

Các khái niệm chính bao gồm: cường độ kháng nén đơn, mô đun đàn hồi, lực dính, góc nội ma sát, tỷ lệ diện tích thay thế trụ (as), hệ số an toàn, độ lún giới hạn cho phép, và các thông số địa kỹ thuật đặc trưng của đất và trụ xi măng.

Ngoài ra, phương pháp tính toán ổn định mái dốc theo phương pháp Bishop được áp dụng để đánh giá hệ số an toàn chống trượt của nền đắp trên đất yếu.

Phương pháp nghiên cứu

  • Nguồn dữ liệu: Dữ liệu thu thập từ khảo sát địa chất công trình cầu Ông Điệp, thí nghiệm mẫu đất trộn xi măng tại phòng thí nghiệm, số liệu thực tế thi công và quan trắc tại hiện trường.

  • Phương pháp phân tích: Thí nghiệm xác định hàm lượng xi măng thích hợp qua các mẫu đất trộn với tỷ lệ xi măng khác nhau (7%, 14%, 15%) và đo cường độ chịu nén đơn theo tuổi mẫu (7, 14, 28 ngày). Phân tích tính toán sức chịu tải và độ lún nền đường dẫn dựa trên các quan điểm tính toán trụ đất xi măng, đồng thời mô phỏng bằng phần mềm Plaxis 2D sử dụng mô hình Mohr-Coulomb để đánh giá biến dạng và ứng suất trong nền đất trước và sau khi gia cố.

  • Timeline nghiên cứu: Nghiên cứu được thực hiện từ tháng 8 đến tháng 12 năm 2018, bao gồm khảo sát hiện trường, thí nghiệm mẫu, tính toán thiết kế, mô phỏng và đánh giá kết quả.

  • Cỡ mẫu và chọn mẫu: Mẫu đất được lấy tại vị trí thi công cầu Ông Điệp, đảm bảo đại diện cho đặc tính đất yếu khu vực. Mỗi tỷ lệ xi măng được thử nghiệm trên nhiều mẫu để đảm bảo độ tin cậy kết quả.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Hàm lượng xi măng thích hợp: Thí nghiệm xác định hàm lượng xi măng tối ưu là 15% (tương đương khoảng 210 kg xi măng/m³ đất tự nhiên), đạt cường độ chịu nén đơn trung bình 906.933 kN/m² sau 28 ngày tuổi mẫu. Cường độ tăng dần theo thời gian dưỡng hộ và tỷ lệ xi măng, với mức tăng khoảng 30-40% từ ngày 7 đến ngày 28.

  2. Tính toán sức chịu tải trụ đất xi măng: Khả năng chịu tải giới hạn của trụ đơn được xác định dựa trên sức kháng cắt của đất xung quanh và vật liệu trụ, với hệ số an toàn đề xuất là 2. Khoảng cách bố trí trụ theo lưới tam giác hoặc lưới vuông được tính toán để đảm bảo độ lún tổng cộng không vượt quá giới hạn cho phép, giảm độ lún cục bộ khoảng 50% so với nền đất tự nhiên chưa gia cố.

  3. Mô phỏng biến dạng nền đất: Kết quả mô phỏng bằng Plaxis 2D cho thấy biến dạng nén đứng và chuyển vị đứng của nền đất giảm đáng kể sau khi gia cố bằng trụ đất xi măng. Độ lún tổng cộng giảm từ khoảng 80 mm xuống còn khoảng 35-40 mm, tương ứng giảm hơn 50%. Phân bố ứng suất trong nền đất cũng được cải thiện, giảm nguy cơ trượt sâu và mất ổn định mái taluy.

  4. Ổn định mái dốc nền đắp: Phân tích ổn định theo phương pháp Bishop cho thấy hệ số an toàn tăng từ khoảng 1.1 (chưa gia cố) lên trên 1.4 sau khi gia cố trụ đất xi măng, đảm bảo yêu cầu kỹ thuật về ổn định công trình.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính của hiện tượng lún cục bộ tại đường dẫn đầu cầu Ông Điệp là do nền đất yếu có hệ số thấm thấp, độ nén lún cao và tải trọng lớn từ nền đắp cao. Việc sử dụng trụ đất xi măng đã cải thiện đáng kể các đặc tính cơ lý của nền đất, tăng cường sức chịu tải và giảm biến dạng lún. Kết quả thí nghiệm và mô phỏng phù hợp với các nghiên cứu trong nước và quốc tế về ứng dụng công nghệ trụ đất xi măng trong xử lý nền đất yếu.

So với các phương pháp truyền thống như thay đất hoặc gia tải trước, giải pháp trụ đất xi măng có ưu điểm vượt trội về thời gian thi công, khả năng xử lý sâu đến 50 m, phù hợp với điều kiện địa chất phức tạp và hạn chế về mặt bằng thi công. Tuy nhiên, chi phí vật liệu và yêu cầu kỹ thuật thi công cao hơn, đòi hỏi đội ngũ kỹ thuật có kinh nghiệm và thiết bị chuyên dụng.

Dữ liệu có thể được trình bày qua các biểu đồ thể hiện mối quan hệ giữa hàm lượng xi măng và cường độ chịu nén, bảng so sánh độ lún nền trước và sau khi gia cố, cũng như biểu đồ phân bố ứng suất và biến dạng nền đất mô phỏng bằng Plaxis.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Áp dụng giải pháp trụ đất xi măng cho các nền đất yếu tại Đồng bằng sông Cửu Long: Khuyến nghị sử dụng công nghệ khoan phụt vữa cao áp (Jet Grouting) để gia cố nền đường dẫn đầu cầu, đặc biệt tại các vị trí có tầng đất yếu dày và biến dạng phức tạp. Chủ thể thực hiện là các nhà thầu có kinh nghiệm trong lĩnh vực gia cố nền đất, thời gian áp dụng trong các dự án xây dựng mới và cải tạo.

  2. Xác định hàm lượng xi măng tối ưu theo đặc tính đất địa phương: Thực hiện thí nghiệm mẫu đất trộn xi măng tại từng khu vực để xác định hàm lượng xi măng phù hợp, đảm bảo cường độ chịu nén và sức chống cắt đạt yêu cầu kỹ thuật. Thời gian thực hiện trước khi thi công khoảng 1-2 tháng.

  3. Tăng cường giám sát, kiểm tra chất lượng thi công: Áp dụng các biện pháp quan trắc dòng trào ngược, đo đạc kích thước trụ, lấy mẫu kiểm tra cường độ trụ đất xi măng trong quá trình thi công để đảm bảo chất lượng và hiệu quả gia cố. Chủ thể là đơn vị tư vấn giám sát và nhà thầu thi công, thực hiện liên tục trong suốt quá trình thi công.

  4. Sử dụng phần mềm mô phỏng để tối ưu thiết kế: Ứng dụng phần mềm Plaxis 2D hoặc tương đương để mô phỏng biến dạng và ứng suất nền đất trước và sau gia cố, từ đó điều chỉnh thiết kế trụ đất xi măng về chiều dài, đường kính và khoảng cách bố trí nhằm tối ưu chi phí và hiệu quả kỹ thuật. Thời gian áp dụng trong giai đoạn thiết kế dự án.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Kỹ sư thiết kế công trình giao thông và xây dựng: Sử dụng luận văn làm tài liệu tham khảo để lựa chọn và thiết kế giải pháp gia cố nền đất yếu phù hợp, đặc biệt trong các dự án cầu đường tại khu vực Đồng bằng sông Cửu Long.

  2. Chủ đầu tư và quản lý dự án: Hiểu rõ về hiệu quả và chi phí của giải pháp trụ đất xi măng, từ đó đưa ra quyết định đầu tư hợp lý, đảm bảo chất lượng và tuổi thọ công trình.

  3. Nhà thầu thi công và tư vấn giám sát: Áp dụng các quy trình thi công, kiểm tra và giám sát chất lượng trụ đất xi măng, đảm bảo thi công đúng kỹ thuật và đạt hiệu quả gia cố mong muốn.

  4. Các nhà nghiên cứu và sinh viên chuyên ngành địa kỹ thuật xây dựng: Tham khảo các phương pháp thí nghiệm, tính toán và mô phỏng nền đất yếu, đồng thời cập nhật các công nghệ gia cố nền hiện đại và ứng dụng thực tế tại Việt Nam.

Câu hỏi thường gặp

  1. Trụ đất xi măng là gì và có ưu điểm gì so với các phương pháp gia cố khác?
    Trụ đất xi măng là hỗn hợp đất tự nhiên được trộn với xi măng tạo thành các cột gia cố sâu trong nền đất yếu. Ưu điểm gồm khả năng xử lý sâu đến 50m, thi công nhanh, cải thiện sức chịu tải và giảm độ lún hiệu quả, phù hợp với điều kiện địa chất phức tạp và không gian thi công hạn chế.

  2. Hàm lượng xi măng tối ưu để gia cố đất yếu là bao nhiêu?
    Theo nghiên cứu, hàm lượng xi măng thích hợp tại khu vực cầu Ông Điệp là 15%, tương đương khoảng 210 kg xi măng/m³ đất tự nhiên, đạt cường độ chịu nén đơn trung bình 906.933 kN/m² sau 28 ngày.

  3. Phương pháp tính toán sức chịu tải và độ lún của trụ đất xi măng như thế nào?
    Có ba quan điểm chính: tính như trụ cứng, tính như nền tương đương và quan điểm hỗn hợp. Nghiên cứu áp dụng kết hợp các phương pháp này, đồng thời sử dụng phần mềm mô phỏng Plaxis 2D để đánh giá biến dạng và ứng suất nền đất.

  4. Giải pháp trụ đất xi măng có thể áp dụng cho những loại đất yếu nào?
    Phương pháp này phù hợp với nhiều loại đất yếu từ cát thô đến bùn yếu, đặc biệt hiệu quả tại các vùng có tầng đất yếu dày, hệ số thấm thấp và biến dạng phức tạp như Đồng bằng sông Cửu Long.

  5. Những khó khăn và hạn chế khi thi công trụ đất xi măng là gì?
    Chi phí vật liệu và thiết bị cao, yêu cầu kỹ thuật thi công phức tạp, cần đội ngũ kỹ thuật có kinh nghiệm, khó kiểm tra chất lượng trụ sau thi công và công nghệ còn mới tại Việt Nam nên hạn chế về nhà thầu có năng lực.

Kết luận

  • Luận văn đã xác định được hàm lượng xi măng tối ưu 15% cho trụ đất xi măng tại khu vực cầu Ông Điệp, đạt cường độ chịu nén đơn 906.933 kN/m² sau 28 ngày.
  • Giải pháp trụ đất xi măng giúp giảm hơn 50% độ lún nền đường dẫn, tăng hệ số an toàn chống trượt từ 1.1 lên trên 1.4, đảm bảo ổn định công trình.
  • Phương pháp thi công khoan phụt vữa cao áp (Jet Grouting) phù hợp với điều kiện địa chất và thi công tại Đồng bằng sông Cửu Long.
  • Việc áp dụng phần mềm mô phỏng Plaxis 2D hỗ trợ tối ưu thiết kế và đánh giá hiệu quả gia cố nền đất yếu.
  • Khuyến nghị triển khai giải pháp trụ đất xi măng trong các dự án xây dựng và cải tạo nền đất yếu tại khu vực, đồng thời tăng cường giám sát và kiểm tra chất lượng thi công.

Next steps: Triển khai thí điểm giải pháp tại các công trình tương tự, mở rộng nghiên cứu về tải trọng động và các điều kiện thi công phức tạp hơn, đào tạo nhân lực kỹ thuật chuyên sâu.

Call-to-action: Các kỹ sư thiết kế, chủ đầu tư và nhà thầu thi công nên cân nhắc áp dụng giải pháp trụ đất xi măng để nâng cao hiệu quả và độ bền công trình trên nền đất yếu.