Tổng quan nghiên cứu

Khu vực đồng bằng sông Cửu Long nói chung và tỉnh An Giang nói riêng có khoảng 70% diện tích tự nhiên chịu ảnh hưởng ngập lũ hàng năm với độ sâu ngập dao động từ 1,0 m đến 2,5 m, kéo dài liên tục từ 2,5 đến 5 tháng. Để đáp ứng yêu cầu vượt lũ theo Công văn số 1296/SXD-HĐXD của Sở Xây dựng tỉnh An Giang, các cụm công trình xây dựng bắt buộc phải thực hiện san lấp mặt bằng bằng cát với chiều dày đắp trung bình từ 2,5 m đến 5,0 m. Trọng lượng khổng lồ từ khối đất đắp, thường lên tới hơn 180.000 m³ trên diện tích vài hecta, đã tác sinh áp lực lớn đè nặng lên các tầng trầm tích sét yếu và bùn sét tuổi Holocen có bề dày biến thiên từ 10 m đến hơn 20 m. Vấn đề kỹ thuật nan giải nảy sinh khi trong cùng một mặt bằng dự án tổng thể, các khối nhà chính nhiều tầng được đặt trên hệ móng cọc sâu kiên cố, trong khi các khối nhà thấp tầng phụ trợ, sảnh đón, ram dốc và sân đường nội bộ lại đặt trên hệ móng nông hoặc móng gia cố cọc ngắn tiết diện nhỏ.

Mục tiêu cốt lõi của nghiên cứu là đánh giá định lượng cơ chế ứng xử biến dạng và tương quan chênh lún giữa móng cọc sâu và móng nông trên nền cát san lấp thuộc cụm công trình xây dựng thực tế. Phạm vi nghiên cứu tập trung vào chuỗi dữ liệu địa kỹ thuật và quan trắc hiện trường tại tỉnh An Giang trong giai đoạn từ năm 2009 đến năm 2018, trọng tâm là dự án Bệnh viện đa khoa huyện Châu Thành cùng một số công trình điển hình tại thành phố Long Xuyên. Nghiên cứu mang ý nghĩa thực tiễn sâu sắc khi cung cấp các chỉ số định lượng về chênh lún, giúp kỹ sư thiết kế kiểm soát độ chênh lún giới hạn dưới mức 5,0 cm, triệt tiêu nguy cơ nứt gãy kết cấu và giảm thiểu tới hơn 80% chi phí sửa chữa khắc phục sự cố công trình sau khi đưa vào khai thác.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu được xây dựng trên nền tảng lý thuyết cố kết thấm một chiều kinh điển của Terzaghi kết hợp mô hình đàn - dẻo lý tưởng Mohr-Coulomb trong cơ học đất hiện đại nhằm mô phỏng trạng thái ứng suất và biến dạng phi tuyến của môi trường đất nền nhiều lớp. Biến dạng lún toàn phần của nền móng được xác định thông qua tổng của ba thành phần cơ bản: lún tức thời không thoát nước, lún cố kết sơ cấp phát tán áp lực nước lỗ rỗng theo thời gian, và lún thứ cấp do hiện tượng từ biến của cốt đất dưới tác dụng của tải trọng duy trì lâu dài.

Bốn khái niệm kỹ thuật giữ vai trò mấu chốt trong mô hình phân tích gồm có: áp lực tiền cố kết của tầng sét yếu phản ánh lịch sử chịu tải địa chất; mô đun biến dạng tiếp tuyến xác định qua thí nghiệm nén ba trục thoát nước; hiện tượng ma sát âm phát sinh quanh thân cọc sâu khi khối đất san lấp xung quanh lún nhanh hơn cọc; và độ chênh lún tương đối giữa hai điểm móng lân cận. Các thông số cơ lý đầu vào tiêu biểu được chuẩn hóa gồm dung trọng bão hòa của lớp cát san lấp đạt 18,5 kN/m³ với góc ma sát trong xấp xỉ 30 độ, cùng tầng bùn sét yếu có lực dính hiệu dụng khoảng 10 kPa đến 12 kPa và góc ma sát trong dao động từ 6 độ đến 8 độ.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu của luận văn được tổng hợp từ hồ sơ khảo sát địa chất công trình gồm 4 lớp đất đặc trưng tại huyện Châu Thành, số liệu quan trắc trắc địa lún thực tế liên tục trong 6 năm và kết quả thí nghiệm thử tải nén tĩnh cọc cọc bê tông cốt thép ly tâm đường kính 300 mm có sức chịu tải giới hạn 1200 kN kết hợp cọc tiết diện nhỏ 120x120 mm chịu tải giới hạn 270 kN.

Cỡ mẫu nghiên cứu được thiết lập trên 12 kịch bản mô phỏng số học tương quan, đại diện cho 4 mức bề dày đất đắp gồm 1,0 m, 2,0 m, 2,5 m và 4,0 m kết hợp với 3 mốc thời gian cố kết khác nhau. Phương pháp chọn mẫu địa kỹ thuật là phương pháp lấy mẫu nguyên dạng bằng ống mẫu thành mỏng tại các hố khoan địa chất có chiều sâu từ 35 m đến 40 m, bảo đảm phản ánh đúng đặc tính của phân vùng trầm tích bùn sét dày 15 m đến 20 m tại tứ giác Long Xuyên.

Phương pháp phân tích chủ đạo là mô phỏng số phần tử hữu hạn 2D phi tuyến sử dụng phần mềm Plaxis 2D phiên bản 8.6. Lý do lựa chọn giải pháp phân tích này là vì Plaxis 2D sở hữu thuật toán giải quyết đồng thời quá trình tiêu tán áp lực nước lỗ rỗng thặng dư và mô phỏng chính xác tương tác tiếp xúc phức tạp giữa đất và kết cấu móng cọc - móng nông. Khả năng này vượt trội hơn hẳn các công thức giải tích đơn lẻ truyền thống vốn không thể mô tả sự làm việc tương hỗ giữa nhiều khối công trình liền kề. Toàn bộ tiến trình tính toán và kiểm chuẩn thực nghiệm được tác giả thực hiện trong khung thời gian 14 tháng, kéo dài từ tháng 8/2017 đến tháng 10/2018.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Phát hiện thứ nhất chỉ ra rằng chiều dày lớp cát san lấp tỷ lệ thuận trực tiếp với độ chênh lệch lún giữa móng cọc và móng nông. Khi chiều dày lớp cát đắp ở mức 1,0 m, độ chênh lún ghi nhận dao động từ 5,0 cm đến 10,0 cm. Tuy nhiên, khi chiều dày cát đắp tăng lên 4,0 m, độ chênh lún đo đạc và tính toán vọt lên tới 34,0 cm, tương đương mức tăng đột biến hơn 340% về biên độ chuyển vị lệch.

Phát hiện thứ hai chứng minh rằng độ cố kết của đất nền dưới tải trọng lớp đắp trước khi xây dựng đóng vai trò quyết định đến việc giảm thiểu chênh lún. Với chiều dày cát đắp 4,0 m, nếu độ cố kết của tầng sét yếu được nâng từ mức 40% lên gần 80% trong giai đoạn chuẩn bị mặt bằng, độ chênh lún giữa hai loại móng giảm mạnh từ 34,0 cm xuống chỉ còn 12,5 cm, tức giảm tới 63,2% độ lệch lún tổng thể.

Phát hiện thứ ba ghi nhận ảnh hưởng kép từ tải trọng công trình của khối móng nông lên quá trình biến dạng dài hạn. Khi tải trọng phân bố của khối móng nông gia tăng từ 30 kN/m² lên 80 kN/m², quá trình lún cố kết thứ cấp kéo dài liên tục suốt 20 năm khai thác, tạo ra mức biến dạng gia tăng thêm từ 6,0 cm đến 14,0 cm, khiến vết nứt tại khớp nối giữa các khối nhà ngày càng tách rộng.

Phát hiện thứ tư qua số liệu thực tế tại Bệnh viện đa khoa huyện Châu Thành xác nhận rằng tải trọng của 180.000 m³ cát san lấp cao 2,5 m đã gây ra độ lún cố kết nền tự nhiên từ 270 mm đến 300 mm trong vòng 6 năm. Khối móng cọc sâu 27 m chỉ lún từ 2,0 cm đến 5,0 cm, trong khi các hạng mục móng nông gia cố cọc ngắn 4,2 m lún hơn 30,0 cm, dẫn tới hiện tượng bẻ gãy ram dốc và nghiêng lệch toàn bộ tường bao hành lang.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân căn bản dẫn tới hiện tượng lún lệch nghiêm trọng bắt nguồn từ sự tương phản độ cứng quá lớn trong sơ đồ truyền tải. Móng cọc sâu truyền phần lớn tải trọng công trình xuống tầng chịu lực sâu ổn định bên dưới, gần như không chịu tác động biến dạng của tầng đất yếu phía trên. Ngược lại, móng nông và móng gia cố cọc ngắn 120x120 mm chỉ cắm sâu 4,2 m hoàn toàn nằm gọn trong đệm cát và tầng bùn sét nhạy lún chưa ổn định. Toàn bộ hệ móng nông này bị kéo trượt lún theo biến dạng tự thân của lớp cát đắp mới và tầng đất yếu nguyên thủy.

So sánh với các công bố khoa học của Đỗ Minh Toàn năm 2013 về trầm tích sét yếu đồng bằng sông Cửu Long, kết quả luận văn hoàn toàn trùng khớp khi chỉ ra áp lực tiền cố kết của khu vực này cực kỳ bé, chỉ đạt từ 0,3 kg/cm² đến 0,5 kg/cm², khiến đất rất nhạy cảm với việc gia tải đột ngột. Đồng thời, nghiên cứu cũng lượng hóa chi tiết hiện tượng biến dạng trượt ngang và lún lệch mà tác giả Phạm Quyết Thắng từng cảnh báo năm 2016 trong các đô thị xây dựng trên nền đắp bão hòa nước.

Các kết quả nghiên cứu trên được tổng hợp và biểu diễn trực quan thông qua đồ thị hai trục biểu thị tương quan giữa thời gian sử dụng công trình từ năm thứ 1 đến năm thứ 20 trên trục hoành và độ chênh lún tính bằng centimet trên trục tung, phân chia theo từng đường cong ứng với chiều dày đắp từ 1,0 m đến 4,0 m. Bên cạnh đó, bảng tổng hợp đối chiếu đa thông số giữa các cấp độ cố kết từ 40% đến 80% với biên độ chênh lún đã minh chứng rõ nét quy luật suy giảm chuyển vị khi nền đất đắp được xử lý thoát nước bài bản.

Đề xuất và khuyến nghị

Thứ nhất, chủ đầu tư và ban quản lý dự án cần áp dụng giải pháp thi công bấc thấm kết hợp gia tải trước bằng khối cát đắp hoặc hút chân không cho toàn bộ mặt bằng san lấp. Mục tiêu kỹ thuật là đưa độ cố kết trung bình của tầng đất sét yếu đạt tối thiểu 75% đến 80% trước khi tiến hành đóng cọc và đổ bê tông móng. Thời gian chờ gia tải cần duy trì nghiêm ngặt trong khoảng từ 6 đến 9 tháng nhằm triệt tiêu phần lớn độ lún cố kết sơ cấp ban đầu.

Thứ hai, đơn vị tư vấn thiết kế phải thiết lập chi tiết cấu tạo khớp nối mềm biến dạng và khe lún toàn phần giữa khối nhà chính sử dụng móng cọc sâu và các công trình phụ trợ sử dụng móng nông như bậc tam cấp, hành lang, ram dốc. Giải pháp kỹ thuật này cần đảm bảo khả năng triệt tiêu ứng suất cắt tập trung, khống chế góc xoay biến dạng kết cấu dưới ngưỡng cho phép 0,002 rad, thực hiện ngay trong bước lập hồ sơ thiết kế bản vẽ thi công.

Thứ ba, cơ quan thẩm định thiết kế xây dựng thuộc Sở Xây dựng cần yêu cầu loại bỏ phương án móng nông đơn thuần hoặc móng gia cố cọc bê tông ngắn dưới 5 m đối với các khối nhà một tầng nằm trên nền đắp dày trên 2,0 m. Thay vào đó, cần chuyển đổi đồng bộ sang móng cọc bê tông cốt thép ngàm sâu tối thiểu 25 m đến 28 m vào tầng địa chất tốt nhằm đồng nhất sơ đồ biến dạng, kiểm soát độ lún tuyệt đối toàn dự án dưới ngưỡng an toàn 5,0 cm.

Thứ tư, nhà thầu thi công và đơn vị tư vấn quan trắc độc lập phải thiết lập mạng lưới mốc đo quan trắc lún cố định theo tiêu chuẩn xây dựng hiện hành ngay từ thời điểm bắt đầu san đắp cát. Tần suất quan trắc lún cần được duy trì định kỳ 15 đến 30 ngày một lần trong suốt quá trình thi công và kéo dài tối thiểu 24 tháng sau khi công trình đi vào hoạt động nhằm phát hiện sớm tốc độ lún vượt quá 2,0 mm mỗi tháng để có biện pháp kích nâng bù lún kịp thời.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

Nhóm kỹ sư thiết kế kết cấu và địa kỹ thuật công trình là đối tượng ưu tiên hàng đầu. Nghiên cứu cung cấp hệ thống thông số mô hình hóa phần tử hữu hạn trên phần mềm Plaxis 2D và phương pháp dự báo ma sát âm, giúp kỹ sư tính toán chính xác độ lún lệch cho các cụm công trình phức hợp có tổng mức đầu tư trên 50 tỷ đồng tại khu vực đồng bằng sông Cửu Long.

Cán bộ quản lý kỹ thuật và chuyên viên thẩm định dự án tại các Sở Xây dựng cùng Ban Quản lý dự án chuyên ngành sẽ tìm thấy tài liệu tham khảo giá trị để xây dựng bộ tiêu chí kiểm tra hồ sơ thiết kế. Luận văn cung cấp căn cứ khoa học để thẩm định tính khả thi của giải pháp nền móng đối với các dự án đô thị vượt lũ có khối lượng đắp cát vượt trên 100.000 m³.

Các nhà thầu xây dựng và đơn vị thi công hạ tầng nền móng có thể vận dụng luận văn để lập biện pháp thi công phân kỳ khoa học. Luận văn giúp nhà thầu tính toán chính xác chu kỳ chờ cố kết từ 6 đến 12 tháng, loại trừ hoàn toàn nguy cơ bảo hành hư hỏng do gãy nứt nền trệt, xé rách ron gạch và sụt lún tam cấp tại các công trình dịch vụ công cộng.

Học viên cao học, nghiên cứu sinh và giảng viên chuyên ngành Kỹ thuật Xây dựng công trình dân dụng sẽ tiếp cận được nguồn dữ liệu địa chất thực chứng 4 lớp đất tại An Giang cùng hệ thống kết quả đo đạc lún hiện trường trong 6 năm liên tục. Đây là nguồn tài liệu quý báu để phát triển các đề tài mô phỏng tương tác đất và kết cấu móng ba chiều nâng cao.

Câu hỏi thường gặp

Tại sao các dự án xây dựng tại tỉnh An Giang bắt buộc phải san lấp cát dày từ 2,5 m đến 5,0 m? Do đặc điểm địa hình thấp trũng ven sông Hậu với 70% diện tích bị ngập lũ từ 1,0 m đến 2,5 m hàng năm, Công văn số 1296/SXD-HĐXD quy định cao trình thiết kế phải vượt mực nước lũ lịch sử đỉnh cao từ năm 2000 đến năm 2011, buộc các dự án phải đắp lớp cát dày từ 2,5 m đến 5,0 m để bảo đảm an toàn.

Nguyên nhân cốt lõi khiến các khối nhà một tầng móng nông bị lún sụt trên 30 cm là gì? Các khối nhà một tầng sử dụng móng nông hoặc cọc ngắn 4,2 m đặt trên lớp cát mới đắp. Khi khối cát đắp nặng hàng trăm nghìn tấn làm tầng bùn sét dày 15 m đến 20 m bên dưới bị lún cố kết từ 270 mm đến 300 mm, toàn bộ khối móng nông bị kéo lún theo nền đất tự nhiên.

Việc gia tăng thời gian chờ cố kết mặt bằng san lấp mang lại hiệu quả kỹ thuật như thế nào? Khi kéo dài thời gian chờ để nâng độ cố kết của tầng đất yếu từ 40% lên gần 80%, độ chênh lún giữa móng nông và móng cọc sâu giảm ngoạn mục từ 34,0 cm xuống chỉ còn 12,5 cm, giúp triệt tiêu hơn 63% độ lệch chuyển vị nguy hiểm cho toàn bộ kết cấu công trình.

Hiện tượng ma sát âm phát sinh như thế nào và gây nguy hại gì cho hệ móng cọc sâu? Khi lớp cát san lấp đầm chặt cùng tầng bùn sét mặt lún nhanh hơn chuyển vị của móng cọc ngàm sâu 27 m, đất nền sẽ bám dính và kéo thân cọc đi xuống thay vì nâng đỡ cọc. Lực ma sát âm này làm gia tăng tải trọng dọc trục, dễ gây tụt đầu cọc hoặc vượt tải sức chịu tải cho phép.

Giải pháp nào xử lý triệt để hiện tượng nứt gãy ram dốc tiếp giáp giữa sảnh đón và nhà chính? Giải pháp hữu hiệu nhất là tách rời kết cấu ram dốc thành một đơn nguyên độc lập bằng khe lún toàn phần, kết hợp bố trí gối trượt co giãn hai đầu cho phép ram dốc dịch chuyển lệch tự do từ 10 cm đến 20 cm theo chuyển vị của đệm cát mà không truyền nội lực gây phá hoại khối nhà chính.

Kết luận

Nghiên cứu của học viên Lưu Huỳnh Trung đã đóng góp những luận cứ khoa học và giải pháp thực tiễn then chốt trong lĩnh vực địa kỹ thuật xây dựng tại vùng đất yếu Tây Nam Bộ:

  • Lượng hóa chính xác mối tương quan tỷ lệ thuận giữa bề dày cát tôn nền từ 1,0 m đến 4,0 m với độ chênh lún tăng vọt từ 5,0 cm lên tới 34,0 cm giữa các dạng kết cấu móng.
  • Xác thực giải pháp nâng cao độ cố kết nền đắp từ 40% lên xấp xỉ 80% giúp cắt giảm tới 63,2% biên độ chênh lún, hạ thấp độ lún lệch dư xuống ngưỡng an toàn 12,5 cm.
  • Chỉ rõ rủi ro hư hỏng nghiêm trọng khi kết hợp móng cọc sâu với móng nông gia cố cọc ngắn trên cùng một mặt bằng san lấp dày mà không tách khe biến dạng.
  • Chuẩn hóa quy trình phân kỳ thi công hạ tầng với thời gian gia tải chờ lún tối thiểu từ 6 đến 9 tháng trước khi triển khai phần thân công trình dân dụng.
  • Cung cấp chuỗi số liệu quan trắc thực nghiệm kiểm chứng trong 6 năm tại Bệnh viện Châu Thành, làm giàu kho dữ liệu tính toán cho ngành xây dựng tỉnh An Giang.

Bước tiếp theo của hướng nghiên cứu này là tiếp tục ứng dụng các mô hình giải tích 3 chiều để đánh giá hiệu ứng nhóm cọc và tác động tương hỗ giữa các tòa nhà cao tầng liền kề. Các chủ đầu tư và kỹ sư thiết kế công trình tại vùng đồng bằng sông Cửu Long cần tham khảo ngay các kết quả phân tích trong luận văn này nhằm chuẩn hóa giải pháp nền móng, bảo đảm tuyệt đối chất lượng mỹ quan và an toàn bền vững cho các dự án vượt lũ trong tương lai.