Tổng quan nghiên cứu

Tỉnh An Giang, nằm trong vùng Đồng bằng sông Cửu Long, có địa tầng đặc trưng với nhiều lớp đất yếu, chủ yếu là đất sét và bùn sét bão hòa nước, có khả năng chịu lực thấp. Theo khảo sát hiện trường, chiều sâu khảo sát từ 50-60m cho thấy địa tầng gồm 8 lớp đất chính và một lớp đất đắp cát san lấp. Đặc biệt, lớp đất yếu này gây ra nhiều sự cố lún nghiêm trọng cho các công trình dân dụng xây dựng trên nền đất san lấp cát, với chiều dày san lấp phổ biến từ 2 đến 4 mét nhằm đáp ứng yêu cầu cao trình chống lũ. Các công trình như trạm cấp nước nông thôn, trung tâm học tập cộng đồng và trường tiểu học tại An Giang đã ghi nhận độ lún từ vài cm đến hơn 30 cm, ảnh hưởng trực tiếp đến độ bền và công năng sử dụng.

Mục tiêu nghiên cứu là phân tích ứng xử lún của công trình cụm, tuyến dân cư sử dụng cát san lấp trên nền đất sét yếu bão hòa tại An Giang, xác định tương quan giữa chiều dày và độ chặt lớp cát san lấp, tải trọng công trình với độ lún tổng cộng và ứng xử lún theo thời gian. Nghiên cứu sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn với phần mềm Plaxis 8.5 để mô phỏng và kiểm nghiệm kết quả với số liệu thực tế. Phạm vi nghiên cứu tập trung vào các công trình dân dụng tải trọng nhỏ, trong khoảng thời gian thi công và 2 năm sử dụng sau đó. Kết quả nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc đề xuất các thông số kỹ thuật tối ưu cho lớp cát san lấp, góp phần nâng cao độ ổn định và tuổi thọ công trình, đồng thời giảm thiểu rủi ro lún không kiểm soát.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu dựa trên mô hình Mohr-Coulomb (MC) – một mô hình vật liệu đàn hồi dẻo lý tưởng, được sử dụng phổ biến trong phân tích địa kỹ thuật. Mô hình này mô tả ứng xử của đất dựa trên 5 thông số chính: mô đun đàn hồi Young (E), hệ số Poisson (ν), lực dính hữu hiệu (c'), góc ma sát trong hữu hiệu (φ'), và góc giãn nở (ψ). Mô hình MC phù hợp với đất cát chặt và đất sét cứng, cho phép mô phỏng ứng xử thoát nước (drained) và không thoát nước (undrained), giúp phân tích biến dạng và ứng suất trong đất nền dưới tải trọng công trình.

Các khái niệm chính bao gồm:

  • Độ lún cố kết: Biến dạng lâu dài của đất do quá trình thoát nước và tái phân bố ứng suất.
  • Đất đắp (backfill sand): Lớp cát san lấp trên nền đất yếu, ảnh hưởng đến tải trọng và biến dạng công trình.
  • Đất yếu bão hòa: Đất sét và bùn sét có độ bão hòa cao, chịu lực kém, dễ bị lún lớn dưới tải trọng.
  • Ứng xử thoát nước (drained) và không thoát nước (undrained): Phân biệt cách đất phản ứng với tải trọng tùy theo khả năng thoát nước.
  • Phương pháp phần tử hữu hạn (FEM): Phương pháp số để mô phỏng ứng xử cơ học của đất và công trình, được thực hiện qua phần mềm Plaxis 8.5.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu chính bao gồm số liệu khảo sát địa chất hiện trường tại An Giang, kết quả thí nghiệm cơ lý đất trong phòng thí nghiệm và số liệu quan trắc độ lún thực tế của các công trình dân dụng. Cỡ mẫu nghiên cứu là các công trình cụm dân cư với chiều dày lớp cát san lấp từ 2 đến 4 mét, tải trọng công trình từ 8 đến 24 kPa, và thời gian theo dõi lún trong 2 năm sau thi công.

Phương pháp phân tích sử dụng phần mềm Plaxis 8.5, mô phỏng theo phương pháp phần tử hữu hạn với mô hình Mohr-Coulomb, phân tích ứng xử đất theo cả hai trạng thái drained và undrained. Quá trình mô phỏng gồm các giai đoạn: mô phỏng cấu tạo địa tầng, thiết lập điều kiện biên, mô phỏng thi công đắp đất cát và tải trọng công trình theo từng phase, phân tích biến dạng và độ lún theo thời gian. Phương pháp mô phỏng chất tải được thực hiện theo hai cách: mô phỏng chất tải trung bình tháng và mô phỏng chất tải 50% tải trọng trong thời gian thi công, nhằm kiểm nghiệm độ chính xác của mô hình.

Timeline nghiên cứu kéo dài từ khảo sát địa chất, thu thập số liệu, mô phỏng phân tích đến kiểm nghiệm kết quả trong khoảng thời gian thi công và 2 năm sử dụng công trình, đảm bảo đánh giá toàn diện ứng xử lún của công trình trên nền đất san lấp.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Độ lún tổng cộng tăng theo chiều dày lớp cát san lấp và tải trọng công trình: Khi tăng chiều dày lớp cát từ 2m lên 4m, độ lún tổng cộng tăng khoảng 1 cm. Khi tải trọng công trình tăng từ 8 kPa lên 24 kPa, độ lún tăng khoảng 5 cm. Điều này cho thấy tải trọng công trình có ảnh hưởng lớn hơn so với chiều dày lớp cát san lấp đến độ lún công trình.

  2. Ảnh hưởng của độ cố kết đất nền: Đất nền sét yếu tại An Giang đạt khoảng 90% độ cố kết sau 2 năm thi công. Sau thời gian này, ảnh hưởng của đất đắp đến độ lún công trình giảm đáng kể, độ lún trong quá trình sử dụng công trình không tăng nhiều (dưới 0.5 cm).

  3. Tương quan giữa độ chặt lớp cát san lấp và độ lún công trình: Gia tăng độ chặt làm tăng cường độ đất đắp nhưng cũng làm tăng tải trọng đất đắp, dẫn đến độ lún tổng cộng tăng từ 3 đến 5 cm khi thay đổi độ chặt từ rất lỏng đến chặt. Tuy nhiên, độ lún trong quá trình sử dụng không biến đổi đáng kể với sự thay đổi độ chặt.

  4. Mô hình mô phỏng phù hợp với thực tế: Kết quả mô phỏng bằng Plaxis 8.5 tương đồng với số liệu quan trắc thực tế tại hiện trường, chứng tỏ tính khả thi và độ tin cậy của phương pháp phần tử hữu hạn trong phân tích ứng xử lún công trình trên nền đất san lấp.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính của hiện tượng lún lớn là do đặc tính địa chất của đất nền sét yếu bão hòa nước, có hệ số nén lún cao và khả năng chịu tải thấp. Việc sử dụng lớp cát san lấp với chiều dày lớn nhằm nâng cao cao trình chống lũ đồng thời làm tăng tải trọng lên đất nền, gây ra lún cố kết đáng kể. So với các nghiên cứu trong nước và quốc tế, kết quả này phù hợp với các báo cáo về ảnh hưởng của tải trọng và lớp đất đắp đến độ lún công trình trên nền đất yếu.

Biểu đồ tương quan độ lún theo chiều dày lớp cát và tải trọng công trình có thể được trình bày để minh họa rõ ràng xu hướng tăng độ lún. Bảng so sánh độ lún thực tế và mô phỏng cũng giúp đánh giá độ chính xác của mô hình.

Ý nghĩa của nghiên cứu là cung cấp cơ sở khoa học để thiết kế lớp cát san lấp với chiều dày và độ chặt tối ưu, giảm thiểu rủi ro lún không kiểm soát, đảm bảo an toàn và bền vững cho các công trình dân dụng tại vùng đất yếu An Giang.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Tối ưu chiều dày lớp cát san lấp: Khuyến nghị sử dụng chiều dày lớp cát san lấp trong khoảng 2-3 mét để cân bằng giữa yêu cầu cao trình chống lũ và hạn chế độ lún công trình. Chủ thể thực hiện: Chủ đầu tư và nhà thầu thi công, trong vòng 6 tháng trước khi triển khai xây dựng.

  2. Kiểm soát độ chặt lớp cát san lấp: Đề xuất duy trì độ chặt tương đối của lớp cát san lấp ở mức vừa phải, tránh quá chặt để giảm tải trọng đất đắp, đồng thời đảm bảo đủ cường độ. Chủ thể thực hiện: Đơn vị khảo sát và giám sát thi công, áp dụng trong suốt quá trình san lấp.

  3. Áp dụng mô hình phần tử hữu hạn trong thiết kế móng: Khuyến khích sử dụng phần mềm Plaxis hoặc tương đương để mô phỏng ứng xử lún công trình, giúp dự báo chính xác và điều chỉnh thiết kế phù hợp. Chủ thể thực hiện: Kỹ sư thiết kế và tư vấn địa kỹ thuật, áp dụng trong giai đoạn thiết kế công trình.

  4. Theo dõi và giám sát độ lún sau thi công: Thiết lập hệ thống quan trắc độ lún trong ít nhất 2 năm sau khi hoàn thành thi công để đánh giá thực tế và điều chỉnh biện pháp xử lý nếu cần. Chủ thể thực hiện: Chủ đầu tư phối hợp với đơn vị giám sát, thực hiện liên tục trong vòng 24 tháng.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Kỹ sư thiết kế công trình dân dụng và công nghiệp: Nghiên cứu cung cấp dữ liệu và mô hình phân tích giúp thiết kế móng và lớp san lấp phù hợp với điều kiện đất yếu, giảm thiểu rủi ro lún.

  2. Chủ đầu tư và nhà thầu xây dựng tại vùng đất yếu: Hiểu rõ ảnh hưởng của lớp cát san lấp và tải trọng công trình đến độ lún, từ đó đưa ra quyết định đầu tư và thi công hiệu quả.

  3. Chuyên gia địa kỹ thuật và tư vấn xây dựng: Áp dụng phương pháp phần tử hữu hạn và mô hình Mohr-Coulomb trong phân tích ứng xử đất nền, nâng cao chất lượng tư vấn kỹ thuật.

  4. Cơ quan quản lý xây dựng và quy hoạch đô thị: Sử dụng kết quả nghiên cứu để ban hành các quy định, tiêu chuẩn kỹ thuật về san lấp mặt bằng và thiết kế móng công trình trên nền đất yếu, đảm bảo an toàn và phát triển bền vững.

Câu hỏi thường gặp

  1. Tại sao lớp cát san lấp lại ảnh hưởng đến độ lún công trình?
    Lớp cát san lấp tạo thêm tải trọng lên đất nền yếu bên dưới, đồng thời thay đổi đặc tính cơ lý của nền đất. Khi chiều dày hoặc độ chặt của lớp cát tăng, tải trọng lên đất nền cũng tăng, dẫn đến độ lún tổng cộng của công trình tăng theo.

  2. Phương pháp phần tử hữu hạn có ưu điểm gì trong phân tích độ lún?
    Phương pháp này cho phép mô phỏng chi tiết cấu trúc địa tầng, điều kiện tải trọng và ứng xử vật liệu theo thời gian, giúp dự báo chính xác biến dạng và ứng suất trong đất nền, phù hợp với các điều kiện phức tạp như đất yếu bão hòa.

  3. Độ lún trong quá trình sử dụng công trình có đáng lo ngại không?
    Theo nghiên cứu, sau khi đất nền đạt khoảng 90% độ cố kết trong 2 năm, độ lún trong quá trình sử dụng công trình tăng rất ít (dưới 0.5 cm), không ảnh hưởng lớn đến an toàn và công năng sử dụng.

  4. Có thể giảm độ lún bằng cách nào khi sử dụng cát san lấp?
    Có thể kiểm soát chiều dày và độ chặt lớp cát san lấp, sử dụng vật liệu có đặc tính phù hợp, đồng thời thiết kế móng công trình hợp lý, áp dụng các biện pháp gia cố nền đất nếu cần thiết.

  5. Nghiên cứu này có thể áp dụng cho các vùng đất yếu khác không?
    Mặc dù tập trung vào An Giang, phương pháp và kết quả nghiên cứu có thể tham khảo và điều chỉnh áp dụng cho các vùng đất yếu có đặc điểm tương tự, giúp cải thiện thiết kế và thi công công trình trên nền đất yếu.

Kết luận

  • Nghiên cứu đã xác định rõ tương quan giữa chiều dày, độ chặt lớp cát san lấp, tải trọng công trình với độ lún tổng cộng và ứng xử lún theo thời gian tại An Giang.
  • Mô hình phần tử hữu hạn Plaxis 8.5 mô phỏng chính xác ứng xử lún công trình, phù hợp với số liệu thực tế.
  • Đất nền sét yếu đạt khoảng 90% độ cố kết sau 2 năm, giảm ảnh hưởng của đất đắp đến độ lún trong quá trình sử dụng.
  • Đề xuất các thông số kỹ thuật tối ưu cho lớp cát san lấp nhằm cân bằng yêu cầu kỹ thuật và kinh tế.
  • Khuyến nghị áp dụng mô hình phân tích và giám sát độ lún liên tục để đảm bảo an toàn công trình.

Tiếp theo, cần triển khai áp dụng các giải pháp đề xuất trong thiết kế và thi công thực tế, đồng thời mở rộng nghiên cứu cho các loại công trình và điều kiện địa chất khác. Để biết thêm chi tiết và tư vấn kỹ thuật, quý độc giả và chuyên gia có thể liên hệ trực tiếp với tác giả hoặc đơn vị nghiên cứu.