Tổng quan nghiên cứu

Trong bối cảnh phát triển hạ tầng giao thông tại Việt Nam, việc xây dựng đường đầu cầu trên nền đất yếu là một thách thức lớn do hiện tượng lún cố kết gây ra nhiều vấn đề về an toàn và chi phí bảo trì. Theo ước tính, tại Mỹ có khoảng 25% trong số 600.000 cây cầu gặp hiện tượng lún lệch, gây thiệt hại hàng triệu đô la cho công tác sửa chữa. Tại Thành phố Hồ Chí Minh, nền đất yếu phổ biến tại nhiều khu vực công nghiệp và đô thị, đòi hỏi các giải pháp xây dựng hiệu quả, bền vững và tiết kiệm chi phí. Luận văn tập trung nghiên cứu ứng dụng vật liệu Geofoam – một loại vật liệu nhẹ, có khả năng đắp trực tiếp trên nền đất yếu mà không cần xử lý nền phức tạp – để xây dựng đường đầu cầu tại Khu công nghiệp Hiệp Phước, huyện Nhà Bè, TP. Hồ Chí Minh.

Mục tiêu nghiên cứu bao gồm: khảo sát tổng quan ứng dụng Geofoam trong xây dựng đường đầu cầu trên nền đất yếu; thi công mô hình thực nghiệm mố cầu và đường dẫn đầu cầu bằng Geofoam sản xuất trong nước; phân tích áp lực tĩnh tải, hoạt tải và chuyển vị công trình dưới tải trọng xe 30 tấn; đánh giá chất lượng cơ-lý-hóa của Geofoam sau thử nghiệm; và phác thảo quy trình công nghệ ứng dụng vật liệu này. Nghiên cứu được thực hiện trong khoảng thời gian từ tháng 2 đến tháng 8 năm 2021, tại khu vực có đặc điểm địa chất gồm 4 lớp đất với chiều dày tổng cộng trên 70 m, đặc trưng bởi các lớp bùn sét, sét dẻo và cát lẫn sạn.

Ý nghĩa của nghiên cứu thể hiện ở việc cung cấp cơ sở khoa học và thực nghiệm cho việc ứng dụng Geofoam trong xây dựng công trình giao thông trên nền đất yếu tại Việt Nam, góp phần giảm thiểu chi phí, rút ngắn thời gian thi công và nâng cao độ bền vững công trình. Đồng thời, kết quả nghiên cứu hỗ trợ xây dựng tiêu chuẩn kỹ thuật và quy trình thi công phù hợp với điều kiện khí hậu và địa chất đặc thù của TP. Hồ Chí Minh.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên hai phương pháp nghiên cứu chính: thực nghiệm hiện trường và thí nghiệm trong phòng. Khung lý thuyết bao gồm các mô hình cơ học đất và vật liệu nhẹ Geofoam, cùng các khái niệm chính như:

  • Cường độ nén nở hông tự do (qu): đại lượng đo khả năng chịu lực nén của Geofoam dưới tải trọng trục, được xác định qua thí nghiệm UCS theo tiêu chuẩn ASTM D1621.
  • Mô đun đàn hồi (Ei, Eu): chỉ số phản ánh độ cứng và khả năng phục hồi của Geofoam trong giai đoạn đàn hồi và khi dỡ tải.
  • Hệ số Poisson (ν): tỷ lệ biến dạng ngang so với biến dạng dọc, cho thấy tính chất đàn hồi của vật liệu.
  • Khả năng hấp thụ và thoát nước: đặc tính quan trọng ảnh hưởng đến trọng lượng và độ bền của Geofoam khi tiếp xúc với môi trường ẩm ướt.
  • Phân bố ứng suất qua tấm bê tông: mô hình phân tích ảnh hưởng của tấm bê tông cốt thép trong việc giảm áp lực hoạt tải lên Geofoam và nền đất yếu.

Ngoài ra, các tiêu chuẩn ASTM được áp dụng để đánh giá các đặc tính cơ-lý-hóa của Geofoam, do Việt Nam chưa có tiêu chuẩn tương ứng.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu chính bao gồm số liệu thu thập từ mô hình mố cầu và đường đầu cầu xây dựng bằng Geofoam tại Khu công nghiệp Hiệp Phước, TP. Hồ Chí Minh. Mô hình có kích thước thực tế (tỉ lệ 1:1) với chiều cao 2,5 m, rộng 3 m, dài 25 m, độ dốc 10%. Vật liệu Geofoam EPS-22 có khối lượng riêng 21 ± 1 kg/m³ được sử dụng, cùng với tường chắn thép và tấm bê tông cốt thép dày 0,2 m.

Hệ thống quan trắc gồm 5 cảm biến đo áp lực đất tổng (Earth Pressure Cell) với thang đo 350 kPa và 700 kPa, được lắp đặt theo chiều sâu và dọc cầu để ghi nhận áp lực tĩnh tải và hoạt tải do xe tải 30 tấn tác động. Các cảm biến được hiệu chuẩn và dữ liệu thu thập qua thiết bị Readout.

Phương pháp phân tích bao gồm:

  • Phân tích áp lực và chuyển vị tức thời của công trình dưới tải trọng tĩnh và hoạt tải.
  • Thí nghiệm cơ-lý-hóa trong phòng theo tiêu chuẩn ASTM: nén nở hông tự do (UCS), xác định khối lượng riêng, khả năng hấp thụ và thoát nước, hòa tan trong dung môi hữu cơ (xăng, dầu hỏa, dầu nhớt), và tốc độ cháy.
  • Cỡ mẫu thí nghiệm tối thiểu 5 mẫu cho mỗi loại thí nghiệm, mẫu có kích thước chuẩn theo ASTM.
  • Phân tích số liệu bằng các công thức tính toán ứng suất, biến dạng, mô đun đàn hồi và hệ số Poisson.

Timeline nghiên cứu kéo dài từ tháng 2 đến tháng 8 năm 2021, bao gồm giai đoạn chuẩn bị, thi công mô hình, thu thập dữ liệu hiện trường, thí nghiệm trong phòng và phân tích kết quả.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Hiệu quả chịu tải của Geofoam: Geofoam sản xuất trong nước với khối lượng riêng 21 kg/m³ hoạt động tốt khi làm vật liệu đắp mố cầu trên nền đất yếu, chịu được tải trọng xe 30 tấn. Chuyển vị đứng đo được từ 5-6 mm sau 9 chu kỳ gia tải và 10 mm trong chu kỳ đầu tiên, cho thấy khả năng ổn định cao.

  2. Giảm áp lực hoạt tải: Áp lực hoạt tải giảm nhanh theo chiều sâu, với tấm bê tông cốt thép phân bố ứng suất lớn hơn giả thuyết góc lan truyền 45°, giúp giảm tải trọng truyền xuống nền đất yếu. Áp lực tĩnh tải và hoạt tải được cảm biến ghi nhận với giá trị cụ thể, minh họa qua biểu đồ phân bố áp lực theo chiều sâu.

  3. Đặc tính cơ-lý-hóa của Geofoam: Thí nghiệm UCS cho thấy cường độ nén nở hông tự do đạt 74 kPa ở biến dạng dưới 1%, mô đun đàn hồi ban đầu 6,08 MPa và khi dỡ tải 5,94 MPa. Hệ số Poisson thấp (0,1) so với vật liệu đắp truyền thống, cho thấy tính đàn hồi và khả năng chịu biến dạng tốt.

  4. Khả năng hấp thụ và thoát nước: Geofoam hấp thụ hơn 60% lượng nước trong 7 ngày đầu và trên 90% trong 35 ngày tiếp theo, với thể tích nước hấp thụ chiếm khoảng 3,12% thể tích mẫu. Khối lượng riêng tăng 2,56 lần sau khi hấp thụ nước, nhưng khả năng thoát nước nhanh, trên 90% lượng nước thoát ra trong 3 ngày.

  5. Tính chất hóa học và cháy: Geofoam hòa tan nhanh trong xăng và dầu hỏa, không hòa tan trong dầu nhớt, dung dịch axit (pH=4) và nước phèn (pH=6,5). Vật liệu dễ cháy khi tiếp xúc trực tiếp với lửa và có thể bị ảnh hưởng bởi mối mọt.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân của các phát hiện trên xuất phát từ cấu trúc xốp nhẹ của Geofoam, giúp giảm áp lực truyền xuống nền đất yếu, hạn chế lún cố kết. So với các nghiên cứu quốc tế, kết quả cường độ và mô đun đàn hồi của Geofoam EPS-22 trong nghiên cứu tương đồng với các giá trị từ 40 đến 200 kPa và mô đun 2-10 MPa, khẳng định tính phù hợp của vật liệu sản xuất trong nước.

Việc áp lực hoạt tải giảm nhanh theo chiều sâu và phân bố ứng suất qua tấm bê tông lớn hơn giả thuyết truyền thống cho thấy cần điều chỉnh mô hình thiết kế để tối ưu hóa kết cấu đường đầu cầu. Khả năng hấp thụ nước thấp và thoát nước nhanh giúp Geofoam duy trì trọng lượng ổn định, giảm nguy cơ biến dạng do ẩm ướt trong điều kiện khí hậu TP. Hồ Chí Minh.

Tuy nhiên, tính dễ cháy và khả năng bị mối mọt ảnh hưởng đòi hỏi biện pháp bảo vệ phù hợp trong thi công và khai thác. Các biểu đồ áp lực và chuyển vị, bảng so sánh đặc tính cơ-lý-hóa được trình bày chi tiết trong luận văn giúp minh họa rõ ràng các kết quả.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Áp dụng Geofoam EPS-22 làm vật liệu đắp đường đầu cầu trên nền đất yếu tại TP. Hồ Chí Minh nhằm giảm thiểu lún cố kết, với mục tiêu giảm chuyển vị đứng dưới 10 mm trong vòng 1 năm khai thác. Chủ thể thực hiện: các Sở Giao thông Vận tải và nhà thầu xây dựng, trong vòng 2 năm tới.

  2. Xây dựng tiêu chuẩn kỹ thuật và quy trình thi công Geofoam phù hợp với điều kiện địa chất và khí hậu Việt Nam, bao gồm hướng dẫn bảo vệ chống cháy và chống mối mọt. Thời gian hoàn thiện trong 12 tháng, do các viện nghiên cứu và cơ quan quản lý xây dựng chủ trì.

  3. Đào tạo và nâng cao năng lực cho kỹ sư, công nhân thi công về công nghệ Geofoam, tập trung vào kỹ thuật lắp đặt, liên kết các khối Geofoam và kiểm soát chất lượng. Thực hiện liên tục trong 3 năm, do các trường đại học và doanh nghiệp phối hợp.

  4. Triển khai các dự án thí điểm sử dụng Geofoam trong xây dựng đường đầu cầu và nền đường tại các khu vực đất yếu khác để đánh giá hiệu quả thực tế và điều chỉnh thiết kế. Thời gian 3-5 năm, do các chủ đầu tư và đơn vị tư vấn thực hiện.

  5. Nghiên cứu bổ sung về khả năng chống cháy và chống mối mọt của Geofoam, phát triển vật liệu cải tiến hoặc biện pháp bảo vệ phù hợp nhằm nâng cao độ bền và an toàn công trình. Thời gian nghiên cứu 2 năm, do các viện nghiên cứu vật liệu và trường đại học đảm nhiệm.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Các nhà quản lý và chủ đầu tư công trình giao thông như Sở Giao thông Vận tải TP. Hồ Chí Minh và các tỉnh, giúp họ có cơ sở khoa học để lựa chọn vật liệu nhẹ Geofoam, tối ưu chi phí và thời gian thi công.

  2. Các đơn vị tư vấn thiết kế và thi công xây dựng cầu đường, cung cấp kiến thức về đặc tính vật liệu, quy trình thi công và kiểm soát chất lượng Geofoam, từ đó nâng cao hiệu quả và độ bền công trình.

  3. Các nhà nghiên cứu, học viên cao học và sinh viên chuyên ngành kỹ thuật xây dựng công trình giao thông, làm tài liệu tham khảo để phát triển nghiên cứu sâu hơn về vật liệu nhẹ và ứng dụng trong điều kiện Việt Nam.

  4. Các nhà sản xuất và cung cấp vật liệu xây dựng, giúp hiểu rõ yêu cầu kỹ thuật và đặc tính vật liệu Geofoam, từ đó cải tiến sản phẩm phù hợp với thị trường trong nước.

Câu hỏi thường gặp

  1. Geofoam có phù hợp để xây dựng đường đầu cầu trên nền đất yếu không?
    Có, nghiên cứu thực nghiệm tại TP. Hồ Chí Minh cho thấy Geofoam EPS-22 chịu được tải trọng xe 30 tấn, giảm áp lực hoạt tải và hạn chế lún cố kết hiệu quả.

  2. Khả năng hấp thụ nước của Geofoam ảnh hưởng thế nào đến công trình?
    Geofoam hấp thụ khoảng 60% nước trong 7 ngày đầu và trên 90% trong 35 ngày tiếp theo, nhưng thoát nước nhanh giúp duy trì trọng lượng ổn định, giảm nguy cơ biến dạng do ẩm.

  3. Geofoam có dễ cháy không và cần biện pháp bảo vệ nào?
    Geofoam dễ cháy khi tiếp xúc trực tiếp với lửa, do đó cần tránh nguồn nhiệt cao và áp dụng biện pháp chống cháy trong thi công và khai thác.

  4. Phương pháp thi công Geofoam có phức tạp không?
    Phương pháp thi công đơn giản, chủ yếu sử dụng nhân công vận chuyển và lắp đặt thủ công, không cần thiết bị đặc biệt, giúp rút ngắn thời gian thi công.

  5. Geofoam có bị ảnh hưởng bởi các dung môi và côn trùng không?
    Geofoam hòa tan nhanh trong xăng và dầu hỏa, không hòa tan trong dầu nhớt và dung dịch axit nhẹ. Vật liệu có thể bị ảnh hưởng bởi mối mọt, cần biện pháp phòng chống phù hợp.

Kết luận

  • Geofoam EPS-22 sản xuất trong nước phù hợp làm vật liệu đắp đường đầu cầu trên nền đất yếu tại TP. Hồ Chí Minh, chịu tải trọng xe 30 tấn hiệu quả với chuyển vị đứng dưới 10 mm.
  • Áp lực hoạt tải giảm nhanh theo chiều sâu, tấm bê tông phân bố ứng suất lớn hơn giả thuyết truyền thống, góp phần bảo vệ nền đất yếu.
  • Các đặc tính cơ-lý-hóa như cường độ nén, mô đun đàn hồi, hệ số Poisson và khả năng hấp thụ nước của Geofoam đáp ứng yêu cầu kỹ thuật xây dựng.
  • Quy trình thi công đơn giản, tiết kiệm thời gian và chi phí, phù hợp với điều kiện thi công tại Việt Nam.
  • Đề xuất xây dựng tiêu chuẩn kỹ thuật, đào tạo nhân lực và triển khai dự án thí điểm để ứng dụng rộng rãi Geofoam trong xây dựng công trình giao thông trên nền đất yếu.

Tiếp theo, cần triển khai các dự án ứng dụng thực tế và nghiên cứu bổ sung về tính năng chống cháy, chống mối mọt của Geofoam nhằm hoàn thiện công nghệ và nâng cao độ bền công trình. Các đơn vị quản lý, thiết kế và thi công được khuyến khích áp dụng kết quả nghiên cứu để tối ưu hóa giải pháp xây dựng đường đầu cầu tại các khu vực đất yếu.