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 lớp bùn sét có đặc tính thấm kém, 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 được xử lý bằng VCM tại Saigon Sport City. Nghiên cứu tập trung vào so sánh mô hình 2D và 3D, mô hình bấc thấm lý tưởng và không lý tưởng, xác định chiều sâu tối ưu của mũi bấc thấm khi dưới lớp đất yếu là tầng cát, cũng như đánh giá ảnh hưởng của phương pháp khai báo tải trọng hút chân không đến độ lún nền.

Phạm vi nghiên cứu bao gồm vùng đất bùn sét tại Quận 2, TP. Hồ Chí Minh, với dữ liệu thực tế thu thập trong quá trình thi công và quan trắc tại dự án. Kết quả nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc nâng cao độ chính xác thiết kế, rút ngắn thời gian thi công và giảm chi phí xử lý nền đất yếu tại các công trình xây dựng đô thị.

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 bằng hút chân không kết hợp bấc thấm:

  • Lý thuyết cố kết một chiều và ba chiều: Phương trình vi phân cố kết thấm một chiều (Terzaghi) và ba chiều (Carillo) được sử dụng để mô tả quá trình tiêu tán áp lực nước lỗ rỗng trong đất dưới tác động của tải trọng gia tải và hút chân không. Độ cố kết tổng hợp được tính theo công thức kết hợp cố kết theo phương đứng và phương ngang.

  • Mô hình lò xo mô phỏng ứng xử đất: Mô hình này minh họa sự chuyển đổi ứng suất từ áp lực nước lỗ rỗng sang ứng suất hữu hiệu trong đất khi gia tải bằng đất đắp hoặc hút chân không, giúp giải thích cơ chế tăng cường độ chịu tải của nền đất yếu.

  • 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 sát hơn điều kiện thi công thực tế.

  • Phương pháp mô phỏng phần tử hữu hạn (FEM): Phần mềm Plaxis được sử dụng để xây dựng mô hình 2D và 3D, khai báo các điều kiện biên, hệ số thấm tương đương, và áp lực hút chân không qua phần tử Drain, nhằm mô phỏng chính xác quá trình cố kết và chuyển vị nền đất.

Các khái niệm chính bao gồm: áp lực nước lỗ rỗng thặng dư, ứng suất hữu hiệu, hệ số thấm ngang và thẳng đứng tương đương, vùng xáo trộn quanh bấc thấm, và lộ trình ứng suất p’-q’ trong quá trình cố kết.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu chính là các thông số địa chất, số liệu quan trắc áp lực hút chân không, độ lún và chuyển vị nền thu thập trực tiếp tại dự án Saigon Sport City, Quận 2, TP. Hồ Chí Minh. Cỡ mẫu dữ liệu quan trắc trải dài trong khoảng 105 ngày thi công, đảm bảo tính đại diện và độ tin cậy.

Phương pháp nghiên cứu bao gồm:

  • Xây dựng mô hình FEM 2D và 3D trong Plaxis, khai báo hệ số thấm ngang và thẳng đứng tương đương cho lớp đất yếu và vùng xáo trộn quanh bấc thấm.

  • So sánh kết quả mô phỏng độ lún, áp lực nước lỗ rỗng và chuyển vị ngang giữa các mô hình 2D và 3D, cũng như giữa mô hình bấc thấm lý tưởng và không lý tưởng.

  • Nghiên cứu chiều sâu tối ưu của mũi bấc thấm khi dưới lớp đất yếu là tầng cát thoát nước tốt, bằng cách thay đổi chiều sâu cắm bấc thấm trong mô hình 3D.

  • Đánh giá ảnh hưởng của phương pháp khai báo tải trọng hút chân không (khai báo trực tiếp qua phần tử Drain hoặc quy đổi thành tải phân bố trên bề mặt) đến kết quả độ lún và ứng xử nền.

Timeline nghiên cứu kéo dài từ tháng 2 đến tháng 6 năm 2021, bao gồm thu thập dữ liệu, xây dựng mô hình, phân tích kết quả và hoàn thiện luận văn.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. So sánh mô hình 2D và 3D: Mô hình 3D với khai báo bấc thấm và áp lực hút qua 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. 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 cho kết quả lún cao hơn thực tế khoảng 6%. Áp lực nước lỗ rỗng và chuyển vị ngang cũng được mô phỏng sát hơn khi sử dụng mô hình không lý tưởng.

  3. Chiều sâu tối ưu của mũi bấc thấm: Khi chiều cao vùng đất yếu không xử lý (hc), tính từ mũi bấc thấm đến đỉnh lớp cát, bằng 0.0 m, độ lún nền đạt giá trị tối ưu. Việc cắm bấc thấm sâu hơn vào lớp cát không làm giảm thêm độ lún. Mô hình sử dụng phần tử Drain không phản ánh được tổn thất áp lực hút khi bấc thấm cắm vào lớp cát.

  4. Ảnh hưởng phương pháp khai báo tải trọng hút chân không: Mô hình khai báo tải hút chân không trực tiếp qua phần tử Drain cho độ lún nhỏ hơn mô hình quy đổi tải phân bố trên bề mặt khoảng 0.52 lần. Phương pháp này phản ánh đúng ứng xử chuyển vị, áp lực nước lỗ rỗng và lộ trình ứng suất theo thực tế thi công.

Thảo luận kết quả

Kết quả cho thấy mô hình 3D với khai báo áp lực hút qua phần tử Drain là phương pháp mô phỏng tối ưu, giúp giảm sai số độ lún xuống dưới 2%, phù hợp với yêu cầu thiết kế và thi công tại Việt Nam. Sự khác biệt lớn giữa mô hình 2D và 3D phản ánh tính không đồng nhất và ảnh hưởng ba chiều của quá trình cố kết hút chân không.

Việc mô hình bấc thấm không lý tưởng cho kết quả sát thực tế hơn cho thấy tầm quan trọng của việc mô phỏng áp lực hút thay đổi theo chiều sâu, phản ánh đúng điều kiện thi công và chất lượng thiết bị. Chiều sâu cắm bấc thấm tối ưu khi không vượt quá đỉnh lớp cát giúp tiết kiệm chi phí thi công mà vẫn đảm bảo hiệu quả xử lý nền.

Phương pháp khai báo tải trọng hút chân không qua phần tử Drain không chỉ giảm sai số độ lún mà còn mô phỏng chính xác trạng thái ứng suất và áp lực nước lỗ rỗng, điều mà phương pháp quy đổi tải phân bố không làm được. Kết quả này đồng nhất với các nghiên cứu quốc tế và mở ra hướng ứng dụng rộng rãi phương pháp số trong thiết kế xử lý nền đất yếu tại Việt Nam.

Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ so sánh độ lún theo thời gian giữa các mô hình và số liệu quan trắc, bảng tổng hợp sai số độ lún, cũng như biểu đồ áp lực nước lỗ rỗng và chuyển vị ngang tại các độ sâu khác nhau.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Áp dụng mô hình 3D với khai báo áp lực hút qua phần tử Drain trong thiết kế xử lý nền đất yếu bằng VCM nhằm nâng cao độ chính xác dự báo độ lún và chuyển vị, giảm sai số xuống dưới 2%. Thời gian áp dụng: ngay trong các dự án xử lý nền hiện tại và tương lai. Chủ thể thực hiện: các kỹ sư địa kỹ thuật và tư vấn thiết kế.

  2. Sử dụng mô hình bấc thấm không lý tưởng trong mô phỏng để phản ánh sát thực tế thi công, đặc biệt trong các công trình có chất lượng thi công bấc thấm không đồng đều. Thời gian áp dụng: trong giai đoạn thiết kế và mô phỏng chi tiết. Chủ thể thực hiện: nhóm nghiên cứu và thiết kế.

  3. Xác định chiều sâu cắm bấc thấm tối ưu không vượt quá đỉnh lớp cát thoát nước nhằm tiết kiệm chi phí thi công mà vẫn đảm bảo hiệu quả xử lý nền. Thời gian áp dụng: trong giai đoạn khảo sát và thiết kế thi công. Chủ thể thực hiện: nhà thầu thi công và tư vấn giám sát.

  4. Khai báo tải trọng hút chân không trực tiếp qua phần tử Drain trong mô hình FEM để mô phỏng chính xác trạng thái ứng suất và áp lực nước lỗ rỗng, từ đó dự báo độ lún và chuyển vị nền sát với thực tế thi công. Thời gian áp dụng: trong các dự án xử lý nền đất yếu sử dụng VCM. Chủ thể thực hiện: kỹ sư thiết kế và phân tích kết cấu nền.

  5. Đào tạo và phổ biến kiến thức về ứng dụng phần mềm Plaxis và phương pháp FEM trong xử lý nền đất yếu tại các trường đại học và các công ty tư vấn xây dựng nhằm nâng cao năng lực chuyên môn và áp dụng rộng rãi phương pháp số trong ngành. Thời gian áp dụng: dài hạn. Chủ thể thực hiện: các cơ sở đào tạo và tổ chức chuyên môn.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Kỹ sư địa kỹ thuật và tư vấn thiết kế xây dựng: Nghiên cứu cung cấp phương pháp mô phỏng chính xác, giúp cải thiện thiết kế xử lý nền đất yếu, giảm sai số dự báo độ lún và chuyển vị, từ đó nâng cao chất lượng công trình.

  2. Nhà thầu thi công xử lý nền đất yếu: Tham khảo để hiểu rõ hơn về ảnh hưởng của chiều sâu cắm bấc thấm và phương pháp khai báo tải trọng hút chân không, giúp tối ưu thi công, tiết kiệm chi phí và thời gian.

  3. Các nhà nghiên cứu và sinh viên chuyên ngành Địa kỹ thuật xây dựng: Luận văn là tài liệu tham khảo quý giá về ứng dụng phần tử hữu hạn trong mô phỏng cố kết hút chân không, đồng thời cung cấp cơ sở lý thuyết và thực nghiệm phong phú.

  4. **Cơ quan quản lý và quy hoạch xây dựng đô