Tổng quan nghiên cứu

Xử lý nền đất yếu là một trong những thách thức lớn trong xây dựng hạ tầng tại các khu vực có địa chất phức tạp, đặc biệt là tại các đô thị ven sông như Thành phố Hồ Chí Minh. Theo ước tính, nền đất yếu thường có khả năng chịu tải thấp, hệ số rỗng lớn (e > 1), mô đun biến dạng thấp (E < 5000 kPa) và độ nén lún cao, gây ra các hiện tượng lún không đều, mất ổn định công trình. Tại dự án Saigon Sport City, nền đất yếu chủ yếu là đất bùn sét với đặc tính nén lún lớn và hệ số thấm thấp, đòi hỏi giải pháp xử lý hiệu quả để đảm bảo an toàn và tiến độ thi công.

Phương pháp hút chân không kết hợp bấc thấm và đắp cát gia tải trước (VCM) được áp dụng phổ biến nhằm tăng tốc độ cố kết và giảm độ lún nền. Tuy nhiên, các phương pháp tính toán truyền thống chủ yếu dựa trên giải tích một chiều, chưa phản ánh đầy đủ ứng xử thực tế của nền đất, đặc biệt là sự biến đổi áp lực nước lỗ rỗng, chuyển vị ngang và thay đổi hệ số thấm trong quá trình cố kết. Mục tiêu nghiên cứu là ứng dụng phương pháp phần tử hữu hạn (FEM) với phần mềm Plaxis để mô phỏng và đánh giá chính xác hơn ứng xử của nền đất yếu đã được xử lý bằng VCM tại dự án Saigon Sport City, từ đó đề xuất mô hình tính toán phù hợp và các giải pháp tối ưu.

Phạm vi nghiên cứu tập trung vào vùng đất bùn sét tại Quận 2, TP. Hồ Chí Minh, với dữ liệu thực tế thu thập trong quá trình thi công từ tháng 2 đến tháng 6 năm 2021. Nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc nâng cao độ chính xác thiết kế xử lý nền đất yếu, giảm thiểu rủi ro công trình và tiết kiệm chi phí thi công, đồng thời góp phần thúc đẩy ứng dụng công nghệ mô phỏng số trong lĩnh vực địa kỹ thuật xây dựng tại Việt Nam.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu dựa trên các lý thuyết cơ bản về cố kết đất và cơ chế xử lý nền đất yếu bằng hút chân không kết hợp bấc thấm và gia tải đắp cát. Cơ sở lý thuyết bao gồm:

  • Lý thuyết cố kết một chiều và ba chiều: Phương trình vi phân cố kết thấm một chiều theo Terzaghi và mở rộng sang cố kết ba chiều với thấm đứng và thấm ngang, mô tả quá trình tiêu tán áp lực nước lỗ rỗng và tăng ứng suất hữu hiệu trong đất.

  • Mô hình lò xo mô phỏng quá trình cố kết: Mô hình này minh họa sự chuyển đổi ứng suất từ nước sang khung đất khi áp dụng tải trọng, đặc biệt phân biệt giữa gia tải đất đắp và gia tải chân không.

  • Mô hình bấc thấm lý tưởng và không lý tưởng: Mô hình lý tưởng giả định áp lực hút chân không trong lõi bấc thấm không đổi theo chiều sâu, trong khi mô hình không lý tưởng cho phép áp lực thay đổi theo độ sâu, phản ánh chính xác hơn điều kiện thi công thực tế.

  • Phương pháp quy đổi hệ số thấm tương đương: Tính toán hệ số thấm ngang và thấm đứng tương đương của vùng đất có bấc thấm, bao gồm ảnh hưởng của vùng xáo trộn quanh bấc thấm, giúp mô phỏng chính xác hơn quá trình thoát nước và cố kết.

  • Phương pháp dự đoán độ lún cuối cùng: Sử dụng các phương pháp Asaoka và Hyperbolic để phân tích và dự báo độ lún nền theo thời gian dựa trên dữ liệu quan trắc thực tế.

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu sử dụng phương pháp số với phần mềm Plaxis để mô phỏng ứng xử nền đất yếu đã xử lý bằng VCM tại dự án Saigon Sport City. Các bước thực hiện gồm:

  • Thu thập dữ liệu thực tế: Bao gồm thông số địa chất, đặc tính cơ lý của đất, kết quả quan trắc độ lún, áp lực nước lỗ rỗng và chuyển vị trong quá trình thi công.

  • Xây dựng mô hình FEM: Thiết lập mô hình 2D và 3D với các điều kiện biên phù hợp, khai báo bấc thấm theo mô hình lý tưởng và không lý tưởng, áp lực hút chân không được mô phỏng bằng phần tử Drain hoặc tải phân bố trên bề mặt.

  • Phân tích và so sánh kết quả: Đánh giá sự khác biệt giữa mô hình 2D và 3D, mô hình bấc thấm lý tưởng và không lý tưởng, cũng như ảnh hưởng của chiều sâu cắm bấc thấm và phương pháp khai báo tải hút chân không đến độ lún và chuyển vị nền.

  • Timeline nghiên cứu: Nghiên cứu được thực hiện trong khoảng thời gian từ tháng 2 đến tháng 6 năm 2021, với các giai đoạn thu thập dữ liệu, xây dựng mô hình, phân tích kết quả và tổng hợp báo cáo.

Cỡ mẫu nghiên cứu bao gồm các vị trí quan trắc tại dự án Saigon Sport City với số liệu quan trắc độ lún và áp lực nước lỗ rỗng theo thời gian, đảm bảo tính đại diện cho vùng đất yếu đặc trưng của khu vực.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Sự khác biệt giữa mô hình 2D và 3D: Mô hình 3D với khai báo bấc thấm và áp lực hút bằng phần tử Drain cho kết quả độ lún chênh lệch với số liệu quan trắc thực tế dưới 2%, trong khi các mô hình 2D và 3D khác có sai số từ 7% đến 67%. Mô hình 3D phản ánh chính xác hướng chuyển vị vào trong nền xử lý, với giá trị chuyển vị nhỏ hơn 30% đến 50% so với quan trắc.

  2. Ảnh hưởng của mô hình bấc thấm lý tưởng và không lý tưởng: Mô hình bấc thấm không lý tưởng cho kết quả độ lún tương đồng hơn với thực tế, trong khi mô hình lý tưởng thường dự báo độ lún lớn hơn thực tế khoảng 6%. Sự khác biệt này thể hiện qua áp lực nước lỗ rỗng và chuyển vị ngang tại các độ sâu quan trắc.

  3. Chiều sâu tối ưu của mũi bấc thấm: Khi dưới lớp đất yếu là tầng cát thoát nước tốt, chiều cao vùng đất yếu không xử lý (hc) tính từ mũi bấc thấm đến đỉnh lớp cát bằng 0.0m cho độ lún nền tối ưu. Mô phỏng cho thấy phần tử Drain không phản ánh tổn thất áp lực hút khi bấc thấm cắm vào lớp cát, cần lưu ý khi thiết kế chiều sâu cắm bấc.

  4. Ảnh hưởng của phương pháp khai báo tải hút chân không: Mô hình khai báo tải hút chân không bằng phần tử Drain cho độ lún nhỏ hơn mô hình tải phân bố trên bề mặt khoảng 0.52 lần, đồng thời phản ánh chính xác hơn chuyển vị, áp lực nước lỗ rỗng và lộ trình ứng suất theo thực tế thi công.

Thảo luận kết quả

Kết quả nghiên cứu cho thấy mô hình 3D với khai báo bấc thấm không lý tưởng và áp lực hút bằng phần tử Drain là phương pháp mô phỏng phù hợp nhất để phản ánh chính xác ứng xử nền đất yếu đã xử lý bằng VCM. Sự khác biệt lớn giữa mô hình 2D và 3D xuất phát từ khả năng mô phỏng dòng chảy nước và chuyển vị theo không gian ba chiều, đặc biệt trong các trường hợp địa chất phức tạp.

Việc mô hình bấc thấm không lý tưởng cho kết quả gần với thực tế hơn phản ánh ảnh hưởng của công nghệ thi công và tổn thất áp lực hút dọc theo lõi bấc, điều mà mô hình lý tưởng không thể hiện được. Chiều sâu cắm bấc thấm tối ưu cũng là yếu tố quan trọng, đặc biệt khi lớp đất yếu nằm trên tầng cát thoát nước, giúp tối ưu hóa hiệu quả xử lý và tiết kiệm chi phí thi công.

Phương pháp khai báo tải hút chân không bằng phần tử Drain trong Plaxis cho phép mô phỏng chính xác áp lực hút thay đổi theo chiều sâu, từ đó dự báo độ lún và chuyển vị nền sát với thực tế hơn so với phương pháp quy đổi tải phân bố trên bề mặt. Các biểu đồ độ lún theo thời gian, áp lực nước lỗ rỗng và chuyển vị ngang minh họa rõ ràng sự phù hợp của mô hình này với số liệu quan trắc.

So sánh với các nghiên cứu quốc tế, kết quả này phù hợp với các báo cáo cho thấy mô hình FEM 3D và mô hình bấc thấm không lý tưởng là xu hướng hiện đại trong tính toán xử lý nền đất yếu bằng VCM, góp phần nâng cao độ tin cậy và hiệu quả thiết kế.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Áp dụng mô hình 3D với phần tử Drain trong thiết kế xử lý nền đất yếu bằng VCM: Các kỹ sư cần sử dụng mô hình 3D để mô phỏng chính xác chuyển vị và áp lực nước lỗ rỗng, giảm sai số thiết kế xuống dưới 2%. Thời gian áp dụng: ngay trong các dự án xử lý nền hiện tại và tương lai.

  2. Ưu tiên mô hình bấc thấm không lý tưởng trong mô phỏng: Để phản ánh đúng ảnh hưởng của công nghệ thi công và tổn thất áp lực hút, nên khai báo áp lực hút thay đổi theo chiều sâu trong lõi bấc thấm. Chủ thể thực hiện: các đơn vị tư vấn thiết kế và thi công.

  3. Xác định chiều sâu cắm bấc thấm tối ưu dựa trên đặc điểm địa chất: Khi dưới lớp đất yếu là tầng cát thoát nước tốt, chiều sâu cắm bấc nên được thiết kế sao cho mũi bấc tiếp xúc hoặc gần đỉnh lớp cát để đạt hiệu quả cố kết tối ưu. Thời gian thực hiện: trong giai đoạn khảo sát địa chất và thiết kế kỹ thuật.

  4. Sử dụng phương pháp khai báo tải hút chân không bằng phần tử Drain trong mô phỏng FEM: Phương pháp này giúp mô phỏng chính xác hơn áp lực hút và ứng xử nền, từ đó nâng cao độ tin cậy của dự báo độ lún và chuyển vị. Chủ thể thực hiện: các nhà nghiên cứu và kỹ sư thiết kế.

  5. Đào tạo và phổ biến ứng dụng phần mềm Plaxis trong lĩnh vực địa kỹ thuật xây dựng tại Việt Nam: Tăng cường năng lực cho kỹ sư địa kỹ thuật về mô phỏng số để nâng cao chất lượng thiết kế và thi công xử lý nền đất yếu. Thời gian: trong các khóa đào tạo chuyên sâu và cập nhật công nghệ.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Kỹ sư địa kỹ thuật và thiết kế công trình: Nghiên cứu cung cấp phương pháp mô phỏng chính xác, giúp cải thiện thiết kế xử lý nền đất yếu, giảm thiểu rủi ro và chi phí thi công.

  2. Các nhà thầu thi công xử lý nền: Hiểu rõ hơn về ảnh hưởng của công nghệ thi công và các yếu tố kỹ thuật đến hiệu quả xử lý, từ đó tối ưu quy trình thi công và kiểm soát chất lượng.

  3. Nhà quản lý dự án và chủ đầu tư: Có cơ sở khoa học để đánh giá hiệu quả các giải pháp xử lý nền, đảm bảo tiến độ và an toàn công trình, đồng thời tối ưu ngân sách đầu tư.

  4. Giảng viên và sinh viên ngành Địa kỹ thuật xây dựng: Tài liệu tham khảo quý giá về ứng dụng phần mềm FEM trong xử lý nền đất yếu, giúp nâng cao kiến thức và kỹ năng nghiên cứu thực tiễn.

Câu hỏi thường gặp

  1. Phương pháp hút chân không kết hợp bấc thấm có ưu điểm gì so với gia tải đất đắp?
    Phương pháp này tạo áp lực hút chân không làm giảm áp lực nước lỗ rỗng mà không làm tăng ứng suất tổng, giúp nền đất chuyển vị vào trong vùng xử lý, tránh phá hoại trượt và rút ngắn thời gian cố kết. Ví dụ, tại Saigon Sport City, áp lực hút đạt từ -60 kPa đến -90 kPa giúp gia tăng ứng suất hữu hiệu hiệu quả.

  2. Tại sao cần sử dụng mô hình 3D thay vì 2D trong mô phỏng xử lý nền đất yếu?
    Mô hình 3D phản ánh chính xác hơn dòng chảy nước và chuyển vị theo không gian ba chiều, giảm sai số độ lún xuống dưới 2%, trong khi mô hình 2D có thể sai lệch từ 7% đến 67%. Điều này đặc biệt quan trọng với địa chất phức tạp như tại TP. Hồ Chí Minh.

  3. Mô hình bấc thấm lý tưởng và không lý tưởng khác nhau như thế nào?
    Mô hình lý tưởng giả định áp lực hút không đổi theo chiều sâu, thường cho kết quả độ lún lớn hơn thực tế khoảng 6%. Mô hình không lý tưởng cho phép áp lực hút thay đổi theo chiều sâu, phản ánh chính xác hơn điều kiện thi công và kết quả quan trắc thực tế.

  4. Chiều sâu cắm bấc thấm ảnh hưởng thế nào đến hiệu quả xử lý nền?
    Chiều sâu cắm bấc thấm tối ưu là khi mũi bấc tiếp xúc hoặc gần đỉnh lớp cát thoát nước dưới lớp đất yếu, giúp tối ưu độ lún và tốc độ cố kết. Nếu cắm quá sâu hoặc quá nông, hiệu quả xử lý có thể giảm do tổn thất áp lực hút hoặc thoát nước không hiệu quả.

  5. Phương pháp khai báo tải hút chân không nào phù hợp trong mô phỏng FEM?
    Khai báo tải hút chân không bằng phần tử Drain trong Plaxis phản ánh chính xác áp lực hút thay đổi theo chiều sâu, chuyển vị và áp lực nước lỗ rỗng, cho kết quả gần với thực tế hơn so với phương pháp quy đổi tải phân bố trên bề mặt.

Kết luận

  • Nghiên cứu khẳng định mô hình 3D với phần tử Drain và mô hình bấc thấm không lý tưởng là phương pháp mô phỏng tối ưu cho xử lý nền đất yếu bằng VCM.
  • Chiều sâu cắm bấc thấm tối ưu khi mũi bấc tiếp xúc với tầng cát thoát nước giúp đạt hiệu quả cố kết tốt nhất.
  • Phương pháp khai báo tải hút chân không bằng phần tử Drain phản ánh chính xác ứng xử nền, giảm sai số độ lún và chuyển vị.
  • Kết quả nghiên cứu góp phần nâng cao độ chính xác thiết kế, giảm thiểu rủi ro và chi phí thi công tại các dự án xử lý nền đất yếu.
  • Đề xuất áp dụng rộng rãi phần mềm Plaxis và đào tạo kỹ sư địa kỹ thuật để nâng cao năng lực mô phỏng và thiết kế xử lý nền đất yếu tại Việt Nam.

Next steps: Triển khai áp dụng mô hình nghiên cứu trong các dự án thực tế, mở rộng nghiên cứu với các loại đất yếu khác và cập nhật công nghệ mô phỏng mới.

Call to action: Các kỹ sư, nhà nghiên cứu và chủ đầu tư nên tiếp cận và ứng dụng phương pháp mô phỏng FEM 3D để nâng cao hiệu quả xử lý nền đất yếu, đảm bảo an toàn và bền vững cho công trình xây dựng.