Tổng quan nghiên cứu

Quảng Ninh, một tỉnh ven biển phía Đông Bắc Việt Nam, đang trong giai đoạn phát triển công nghiệp hóa – hiện đại hóa nhanh chóng với nhiều khu công nghiệp và cảng biển lớn như cảng Cẩm Phả, cảng Hòn Gai, cảng Cái Lân. Nhu cầu xây dựng các công trình bể chứa phục vụ lưu trữ xăng dầu, khí hóa lỏng và các sản phẩm công nghiệp ngày càng tăng cao. Tuy nhiên, đặc điểm địa chất khu vực với nền đất yếu phân bố rộng rãi gây ra nhiều thách thức trong thi công và đảm bảo ổn định công trình. Đất yếu có sức chịu tải thấp, dễ biến dạng và lún lớn, nếu không xử lý đúng cách sẽ làm tăng chi phí và nguy cơ hư hỏng công trình.

Mục tiêu nghiên cứu là đánh giá đặc tính địa chất các loại đất yếu tại Quảng Ninh, đồng thời nghiên cứu và ứng dụng biện pháp xử lý nền đất yếu bằng bấc thấm kết hợp gia tải trước cho công trình bể chứa. Phạm vi nghiên cứu tập trung vào các dạng đất yếu tiêu biểu trong khu vực tỉnh Quảng Ninh, đặc biệt là tại thành phố Uông Bí, với thời gian khảo sát và phân tích dữ liệu từ năm 2016 đến 2017. Kết quả nghiên cứu nhằm rút ngắn thời gian cố kết nền đất, giảm độ lún và lún lệch, tăng cường độ chịu tải của nền, từ đó góp phần nâng cao hiệu quả thi công và độ bền vững của công trình bể chứa.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên lý thuyết cố kết thấm của Terzaghi (1925) và các phát triển tiếp theo về bài toán cố kết thấm một chiều, hai chiều và đối xứng trục. Các khái niệm chính bao gồm:

  • Đất yếu: Đất có sức chịu tải thấp (< 1,0 kG/cm²), hệ số rỗng lớn (e0 > 1), mô đun biến dạng nhỏ (E0 < 50 kG/cm²), dễ biến dạng và có độ lún lớn.
  • Bấc thấm (PVD - Prefabricated Vertical Drain): Thiết bị tiêu nước thẳng đứng có lõi chất dẻo bao bọc bởi vải địa kỹ thuật, giúp tăng tốc độ thoát nước trong nền đất yếu, rút ngắn thời gian cố kết.
  • Hệ số cố kết (Cv) và hệ số thấm (K): Các tham số quan trọng xác định tốc độ cố kết và khả năng thoát nước của đất.
  • Mức độ cố kết (U): Tỷ lệ phần trăm độ lún cố kết đạt được theo thời gian, được tính toán dựa trên các phương trình vi phân và đồ thị mức độ cố kết.
  • Phương pháp tính toán độ lún cố kết theo sơ đồ biến dạng tự do và biến dạng đều nhau, áp dụng cho nền đất có bấc thấm.

Ngoài ra, luận văn sử dụng các mô hình tính toán đường kính tương đương của bấc thấm, vùng ảnh hưởng của bấc thấm, và các hệ số điều chỉnh như hệ số xáo động và sức cản của bấc thấm theo Hansbo và Barron.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu chính bao gồm kết quả khảo sát địa chất công trình, thí nghiệm mẫu đất tại phòng thí nghiệm, số liệu địa chất thủy văn và tài liệu tham khảo chuyên ngành. Cỡ mẫu khảo sát gồm nhiều lỗ khoan tại khu vực thành phố Uông Bí, tỉnh Quảng Ninh với các lớp đất yếu đặc trưng như bùn sét, sét pha, bùn than bùn.

Phương pháp phân tích sử dụng các công thức lý thuyết cố kết thấm, mô hình sai phân hữu hạn để giải bài toán cố kết nền đất hai lớp không đồng nhất, và các đồ thị mức độ cố kết theo thời gian. Quy trình thi công bấc thấm được mô phỏng và đánh giá hiệu quả qua các bảng tính độ lún cố kết, thời gian đạt độ cố kết 90%, và ảnh hưởng của các thông số như khoảng cách bấc thấm, chiều sâu bấc thấm, hệ số thấm ngang.

Timeline nghiên cứu kéo dài từ khảo sát thực địa, thu thập mẫu, phân tích phòng thí nghiệm, mô phỏng tính toán đến đề xuất giải pháp và kiểm chứng thực tế trong khoảng thời gian 2016-2017.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Đặc tính địa chất nền đất yếu tại Quảng Ninh: Các lớp đất yếu gồm bùn sét, sét pha có hệ số rỗng e từ 0,875 đến 1,492, lực dính c từ 0,059 đến 0,154 kG/cm², góc ma sát trong φ khoảng 10° đến 20°, sức kháng cắt không thoát nước Cu từ 14,9 đến 24 kPa. Hệ số thấm theo phương đứng rất nhỏ, khoảng 0,14×10⁻⁵ đến 0,87×10⁻⁵ cm/s, cho thấy nền đất có tính thấm kém, dẫn đến thời gian cố kết tự nhiên kéo dài.

  2. Hiệu quả xử lý nền bằng bấc thấm: Sử dụng bấc thấm với đường kính tương đương 50-70 mm, bố trí theo sơ đồ tam giác đều với khoảng cách 1,5-3 m, kết hợp gia tải trước bằng nước trong bể chứa, giúp rút ngắn thời gian cố kết đạt 90% từ khoảng 5-7 năm xuống còn khoảng 1-2 năm, giảm thời gian thi công đáng kể.

  3. Độ lún cố kết giảm rõ rệt: Tính toán độ lún cố kết tại các lỗ khoan BH1 và BH2 cho thấy, khi sử dụng bấc thấm, độ lún lệch giảm từ khoảng 15-20 cm xuống còn dưới 5 cm sau thời gian cố kết tương ứng, đảm bảo sự ổn định công trình bể chứa.

  4. Tăng cường độ chịu tải nền đất yếu: Sau các giai đoạn gia tải và cố kết bằng bấc thấm, cường độ đất yếu được cải thiện đáng kể, tăng từ 0,4-0,5 kG/cm² lên đến 1,0-1,5 kG/cm², giúp nâng cao khả năng chịu lực và giảm biến dạng nền.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính của hiệu quả xử lý nền đất yếu bằng bấc thấm là do khả năng tăng tốc độ thoát nước theo cả phương đứng và phương ngang, rút ngắn đường thoát nước và giảm áp lực nước lỗ rỗng nhanh chóng. So với các phương pháp truyền thống như cọc cát hay giếng cát, bấc thấm có ưu điểm về thi công nhanh, chuẩn hóa vật liệu và giảm thiểu ảnh hưởng môi trường.

Kết quả phù hợp với các nghiên cứu trong ngành địa kỹ thuật về xử lý nền đất yếu bằng bấc thấm, đồng thời khẳng định tính khả thi của phương pháp cho công trình bể chứa tại khu vực có nền đất yếu phức tạp như Quảng Ninh. Việc gia tải trước bằng nước trong bể chứa tận dụng được tải trọng công trình, giảm chi phí và thời gian thi công.

Dữ liệu có thể được trình bày qua các biểu đồ quan hệ độ lún theo thời gian, đồ thị mức độ cố kết U theo hệ số thời gian Tv, và bảng so sánh cường độ đất trước và sau xử lý, giúp minh họa rõ ràng hiệu quả của biện pháp.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Áp dụng rộng rãi biện pháp xử lý nền bằng bấc thấm kết hợp gia tải trước cho các công trình bể chứa tại Quảng Ninh và các khu vực có nền đất yếu tương tự, nhằm rút ngắn thời gian thi công và đảm bảo ổn định công trình.

  2. Tối ưu hóa thiết kế bố trí bấc thấm với khoảng cách từ 1,5 đến 3 m, chiều sâu bấc thấm phù hợp với chiều dày lớp đất yếu, đảm bảo hiệu quả thoát nước và giảm thiểu phá hoại kết cấu đất.

  3. Xây dựng quy trình thi công và quản lý chất lượng nghiêm ngặt, bao gồm kiểm tra vật liệu bấc thấm, định vị chính xác vị trí ép bấc, giám sát độ thẳng đứng và độ sâu ép bấc, nhằm đảm bảo hiệu quả xử lý nền.

  4. Thiết lập hệ thống quan trắc độ lún và áp lực nước lỗ rỗng trong quá trình thi công và vận hành công trình để theo dõi, đánh giá và điều chỉnh kịp thời các biện pháp xử lý nền.

  5. Đào tạo và nâng cao năng lực cho đội ngũ kỹ thuật thi công và giám sát, đảm bảo hiểu biết đầy đủ về nguyên lý, kỹ thuật và quy trình xử lý nền bằng bấc thấm.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Kỹ sư địa kỹ thuật và xây dựng công trình: Nắm bắt kiến thức chuyên sâu về xử lý nền đất yếu bằng bấc thấm, áp dụng vào thiết kế và thi công các công trình bể chứa và công trình dân dụng, công nghiệp trên nền đất yếu.

  2. Chuyên gia quản lý dự án xây dựng: Hiểu rõ các giải pháp kỹ thuật và quy trình thi công xử lý nền, giúp lập kế hoạch, kiểm soát tiến độ và chi phí hiệu quả.

  3. Nhà nghiên cứu và sinh viên ngành xây dựng, địa kỹ thuật: Tham khảo cơ sở lý thuyết, phương pháp nghiên cứu và kết quả thực nghiệm để phát triển các nghiên cứu tiếp theo về xử lý nền đất yếu.

  4. Chủ đầu tư và nhà thầu thi công công trình bể chứa: Đánh giá tính khả thi, hiệu quả kinh tế và kỹ thuật của biện pháp xử lý nền bằng bấc thấm, từ đó đưa ra quyết định đầu tư và lựa chọn nhà thầu phù hợp.

Câu hỏi thường gặp

  1. Bấc thấm là gì và có tác dụng như thế nào trong xử lý nền đất yếu?
    Bấc thấm là thiết bị tiêu nước thẳng đứng có lõi chất dẻo và lớp vải địa kỹ thuật bao ngoài, giúp tăng tốc độ thoát nước trong nền đất yếu, rút ngắn thời gian cố kết và giảm độ lún công trình.

  2. Phương pháp xử lý nền bằng bấc thấm có ưu điểm gì so với các phương pháp khác?
    Ưu điểm gồm thi công nhanh, chuẩn hóa vật liệu, giảm thiểu ảnh hưởng môi trường, khả năng thoát nước cao hơn giếng cát, phù hợp với nhiều loại đất yếu và dễ dàng kết hợp gia tải trước.

  3. Khoảng cách bố trí bấc thấm như thế nào là hợp lý?
    Thông thường khoảng cách từ 1,5 đến 3 m, tùy thuộc vào đặc tính đất và chiều sâu lớp đất yếu, nhằm đảm bảo hiệu quả thoát nước và tránh phá hoại kết cấu đất quá mức.

  4. Gia tải trước bằng nước trong bể chứa có hiệu quả ra sao?
    Gia tải bằng nước tận dụng tải trọng công trình, giúp tăng áp lực nén đất, đẩy nhanh quá trình cố kết, giảm thời gian chờ đợi và chi phí so với gia tải bằng vật liệu khác.

  5. Làm thế nào để kiểm soát chất lượng thi công bấc thấm?
    Cần kiểm tra vật liệu bấc thấm, định vị chính xác vị trí ép, giám sát độ thẳng đứng và chiều sâu ép, đồng thời thiết lập hệ thống quan trắc độ lún và áp lực nước lỗ rỗng trong quá trình thi công.

Kết luận

  • Đất yếu tại Quảng Ninh có đặc tính cơ lý và thủy văn phức tạp, đòi hỏi biện pháp xử lý nền hiệu quả để đảm bảo ổn định công trình bể chứa.
  • Phương pháp xử lý nền bằng bấc thấm kết hợp gia tải trước giúp rút ngắn thời gian cố kết đạt 90% từ nhiều năm xuống còn khoảng 1-2 năm, giảm độ lún và tăng cường độ chịu tải nền đất.
  • Kết quả nghiên cứu cung cấp cơ sở lý thuyết và thực tiễn cho việc thiết kế, thi công và quản lý chất lượng xử lý nền đất yếu bằng bấc thấm tại Quảng Ninh.
  • Đề xuất áp dụng rộng rãi biện pháp này cho các công trình bể chứa và công trình xây dựng trên nền đất yếu tương tự, đồng thời xây dựng quy trình thi công và quan trắc chặt chẽ.
  • Các bước tiếp theo bao gồm triển khai thực nghiệm thi công, theo dõi quan trắc thực tế và hoàn thiện hướng dẫn kỹ thuật để nhân rộng ứng dụng.

Hành động ngay: Các đơn vị thi công và quản lý dự án nên xem xét áp dụng biện pháp xử lý nền bằng bấc thấm cho các công trình bể chứa tại Quảng Ninh nhằm nâng cao hiệu quả và độ bền vững công trình.