Tổng quan nghiên cứu

Quảng Ninh, một tỉnh ven biển phía Đông Bắc Việt Nam, đang trong giai đoạn phát triển công nghiệp mạnh mẽ 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, có sức chịu tải thấp (dưới 1,0 kG/cm²), hệ số rỗng lớn (e ≥ 1), và tính thấm kém đã gây ra nhiều khó khăn trong thi công và đảm bảo ổn định công trình.

Mục tiêu nghiên cứu là đánh giá hiệu quả của phương pháp xử lý nền đất yếu bằng bấc thấm kết hợp gia tải trước cho công trình bể chứa tại Quảng Ninh, nhằm tăng cường độ chịu tải, giảm độ lún và rút ngắn thời gian thi công. Phạm vi nghiên cứu tập trung vào các loại đất yếu tiêu biểu tại tỉnh Quảng Ninh, đặc biệt là các lớp bùn sét, sét pha có tính thấm thấp và độ dẻo cao. Nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc đề xuất giải pháp kỹ thuật phù hợp, giảm chi phí đầu tư và nâng cao độ bền vững cho các công trình bể chứa trong khu vực.

Theo khảo sát, nền đất yếu tại Quảng Ninh có hệ số thấm đứng Kv khoảng 0,14 – 0,87 × 10⁻⁵ cm/s, hệ số nén lún av từ 0,009 đến 0,024 cm²/s, lực dính c từ 0,059 đến 0,154 kG/cm², và góc ma sát trong φ khoảng 10° – 20°. Những đặc điểm này làm cho quá trình cố kết tự nhiên rất chậm, gây ra độ lún lớn và biến dạng không đều nếu không xử lý nền đúng cách.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu dựa trên lý thuyết cố kết thấm của Terzaghi (1925) và các phát triển sau này về bài toán cố kết thấm một chiều và đối xứng trục. Lý thuyết này mô tả quá trình thoát nước từ nền đất yếu bão hòa dưới tác dụng tải trọng, làm giảm áp lực nước lỗ rỗng và tăng ứng suất hữu hiệu, từ đó giảm độ lún và tăng cường độ đất.

Phương pháp xử lý nền đất yếu bằng bấc thấm (Prefabricated Vertical Drains – PVD) được áp dụng nhằm tăng tốc độ thoát nước theo phương thẳng đứng và ngang, rút ngắn thời gian cố kết. Bấc thấm gồm lõi chất dẻo có hệ số thấm cao được bao bọc bởi lớp vải địa kỹ thuật ngăn cản hạt đất nhỏ xâm nhập, tạo đường thoát nước hiệu quả. Các mô hình tính toán độ cố kết trung bình U, hệ số thời gian không thứ nguyên Tv, và tỷ số Barron n = De/d được sử dụng để dự báo tiến trình cố kết.

Các khái niệm chính bao gồm:

  • Độ cố kết (U): tỷ lệ phần trăm độ lún cố kết đạt được so với độ lún cuối cùng.
  • Hệ số cố kết (Cv): đặc trưng cho tốc độ cố kết theo phương đứng.
  • Hệ số thời gian không thứ nguyên (Tv): liên quan đến thời gian cố kết và chiều dày lớp đất.
  • Tỷ số Barron (n): tỷ lệ giữa đường kính vùng ảnh hưởng của bấc thấm và đường kính bấc thấm.
  • Sơ đồ biến dạng tự do và biến dạng đều: mô hình phân bố biến dạng trong nền đất khi có bấc thấm.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu bao gồm kết quả khảo sát địa chất công trình tại khu vực TP Uông Bí, Quảng Ninh, với các thông số cơ lý của đất lấy từ mẫu thí nghiệm phòng và khảo sát hiện trường. Cỡ mẫu khảo sát gồm nhiều lỗ khoan địa chất với các lớp đất yếu đặc trưng như bùn sét, sét pha.

Phương pháp phân tích sử dụng mô hình cố kết thấm một chiều và đối xứng trục, kết hợp phương pháp sai phân hữu hạn để giải bài toán cố kết nền đất hai lớp không đồng nhất. Các tham số như hệ số thấm, hệ số nén lún, chiều dày lớp đất được nhập vào mô hình để tính toán độ lún cố kết theo thời gian.

Quy trình thi công bấc thấm được mô tả chi tiết, bao gồm chuẩn bị mặt bằng, định vị, ép bấc thấm bằng máy chuyên dụng, gia tải nén trước theo từng giai đoạn với tổng tải trọng ≥ 1,2 lần tải trọng thiết kế công trình. Quá trình thi công được quản lý chặt chẽ với hệ thống mốc đo lún và quan trắc độ lún theo chu kỳ nhằm kiểm soát chất lượng và hiệu quả xử lý nền.

Thời gian nghiên cứu kéo dài trong khoảng thời gian cố kết thực tế của nền đất, thường từ vài tháng đến hơn một năm tùy thuộc vào đặc tính đất và khoảng cách bấc thấm.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Tăng tốc độ cố kết nền đất yếu: Sử dụng bấc thấm với khoảng cách bố trí 1,5 – 2,0 m, kết hợp gia tải trước, thời gian đạt độ cố kết 90% của nền đất giảm từ khoảng 5 năm xuống còn dưới 1 năm, tương đương giảm hơn 80% thời gian thi công.

  2. Giảm tổng độ lún và độ lún lệch: Độ lún cố kết cuối cùng của nền đất sau xử lý bằng bấc thấm giảm khoảng 20 – 30% so với nền đất tự nhiên chưa xử lý. Độ lún lệch giữa các vị trí lỗ khoan BH1 và BH2 cũng giảm đáng kể, từ 15 cm xuống còn khoảng 5 cm, giúp tăng tính ổn định công trình.

  3. Tăng cường độ đất nền: Sau các giai đoạn gia tải và cố kết, lực dính c của đất yếu tăng từ 0,059 kG/cm² lên đến 0,15 kG/cm², sức kháng cắt không thoát nước Cu tăng từ 22 kPa lên trên 40 kPa, cho thấy sự gia tăng đáng kể về khả năng chịu lực của nền đất.

  4. Hiệu quả kinh tế và kỹ thuật: Việc áp dụng bấc thấm giúp giảm chi phí vận chuyển và thi công do giảm khối lượng đào đắp, đồng thời rút ngắn thời gian thi công từ 2 năm xuống còn khoảng 8 tháng, tăng hiệu quả sử dụng vốn và đẩy nhanh tiến độ dự án.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính của việc tăng tốc độ cố kết là do bấc thấm tạo ra các đường thoát nước thẳng đứng với hệ số thấm cao gấp 10 lần so với đất nền tự nhiên, giúp nước trong lỗ rỗng thoát nhanh hơn. Sự kết hợp giữa thoát nước theo phương đứng và phương ngang làm giảm áp lực nước lỗ rỗng nhanh chóng, tăng ứng suất hữu hiệu và sức kháng cắt của đất.

So sánh với các nghiên cứu trong ngành, kết quả phù hợp với các báo cáo ứng dụng bấc thấm tại các công trình đường bộ và cảng biển, cho thấy tính khả thi và hiệu quả của phương pháp trong điều kiện địa chất phức tạp như Quảng Ninh.

Việc giảm độ lún lệch góp phần hạn chế biến dạng không đều, giảm nguy cơ nứt vỡ kết cấu bể chứa, đảm bảo an toàn vận hành lâu dài. Hệ số chịu tải Nc của nền đắp cũng được cải thiện rõ rệt, phù hợp với yêu cầu kỹ thuật của công trình bể chứa trụ đứng áp lực thấp.

Dữ liệu có thể được trình bày qua các biểu đồ thể hiện mối quan hệ giữa thời gian cố kết và độ lún, cũng như bảng so sánh các chỉ tiêu cơ lý 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 phương pháp 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 giảm chi phí đầu tư. Thời gian thực hiện: ngay trong các dự án xây dựng mới.

  2. Tối ưu khoảng cách bố trí bấc thấm trong khoảng 1,5 – 2,0 m để cân bằng giữa hiệu quả thoát nước và hạn chế phá hoại kết cấu đất, đảm bảo độ lún đều và ổn định. Chủ thể thực hiện: các nhà thầu thi công và tư vấn thiết kế.

  3. Xây dựng hệ thống quan trắc độ lún và áp lực nước lỗ rỗng trong quá trình thi công và vận hành công trình để kiểm soát chất lượng xử lý nền, điều chỉnh kịp thời các biện pháp gia tải và xử lý bổ sung nếu cần. Thời gian: xuyên suốt quá trình thi công và vận hành.

  4. Đào tạo và nâng cao năng lực kỹ thuật cho đội ngũ thi công về quy trình ép bấc thấm, quản lý thi công và kiểm tra chất lượng vật liệu bấc thấm nhằm đảm bảo hiệu quả và an toàn công trình. Chủ thể: các cơ sở đào tạo, nhà thầu và chủ đầu tư.

  5. Nghiên cứu phát triển vật liệu bấc thấm trong nước để giảm chi phí nhập khẩu, tăng tính chủ động và phù hợp với điều kiện địa phương. Thời gian: trung hạn, phối hợp giữa viện nghiên cứu và doanh nghiệp.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Chuyên gia và kỹ sư địa kỹ thuật: Nghiên cứu cung cấp cơ sở lý thuyết và thực tiễn về xử lý nền đất yếu bằng bấc thấm, giúp họ lựa chọn giải pháp phù hợp cho các công trình xây dựng trên nền đất yếu.

  2. Nhà thầu xây dựng và thi công công trình bể chứa: Tham khảo quy trình thi công, quản lý chất lượng và các kỹ thuật gia tải kết hợp bấc thấm để nâng cao hiệu quả thi công và đảm bảo an toàn công trình.

  3. Chủ đầu tư và quản lý dự án: Hiểu rõ về lợi ích kinh tế và kỹ thuật của phương pháp xử lý nền đất yếu, từ đó đưa ra quyết định đầu tư hợp lý, giảm thiểu rủi ro và chi phí phát sinh.

  4. Các nhà nghiên cứu và sinh viên ngành xây dựng dân dụng và công nghiệp: Tài liệu cung cấp kiến thức chuyên sâu về lý thuyết cố kết thấm, phương pháp xử lý nền đất yếu và ứng dụng thực tế, hỗ trợ nghiên cứu và học tập.

Câu hỏi thường gặp

  1. Bấc thấm là gì và tại sao lại hiệu quả 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 hệ số thấm của nền đất yếu. Nhờ đó, nước trong lỗ rỗng thoát nhanh hơn, rút ngắn thời gian cố kết và giảm độ lún công trình.

  2. Phương pháp gia tải trước kết hợp với bấc thấm có vai trò gì?
    Gia tải trước tạo áp lực nén lên nền đất, đẩy nhanh quá trình thoát nước qua bấc thấm, tăng ứng suất hữu hiệu và sức kháng cắt của đất, giúp nền đất nhanh chóng ổn định và giảm biến dạng.

  3. Khoảng cách bố trí bấc thấm ảnh hưởng thế nào đến hiệu quả xử lý?
    Khoảng cách quá lớn làm giảm hiệu quả thoát nước, kéo dài thời gian cố kết; quá nhỏ gây phá hoại kết cấu đất và tăng độ lún tổng thể. Khoảng cách tối ưu thường là 1,5 – 2,0 m để cân bằng hiệu quả và an toàn.

  4. Phương pháp này có áp dụng được cho các loại đất yếu nào?
    Phù hợp với các loại đất bùn, sét mềm, sét pha có hệ số thấm thấp, hệ số rỗng lớn và lực dính nhỏ, đặc biệt là các vùng đất yếu ven biển như Quảng Ninh.

  5. Làm thế nào để kiểm soát chất lượng thi công bấc thấm?
    Cần có hệ thống mốc định vị chính xác, kiểm tra vật liệu bấc thấm trước khi thi công, giám sát quá trình ép bấc thấm bằng máy chuyên dụng, và quan trắc độ lún, áp lực nước lỗ rỗng trong suốt quá trình thi công và vận hành.

Kết luận

  • Phương pháp xử lý nền đất yếu bằng bấc thấm kết hợp gia tải trước tại Quảng Ninh giúp rút ngắn thời gian cố kết từ khoảng 5 năm xuống dưới 1 năm, giảm hơn 80%.
  • Độ lún cố kết và độ lún lệch được giảm đáng kể, tăng tính ổn định và an toàn cho công trình bể chứa.
  • Cường độ đất nền được cải thiện rõ rệt, với lực dính và sức kháng cắt tăng gấp đôi sau xử lý.
  • Quy trình thi công và quản lý chất lượng bấc thấm được xây dựng chi tiết, đảm bảo hiệu quả và an toàn thi công.
  • Khuyến nghị áp dụng rộng rãi phương pháp này cho các công trình bể chứa và nền đất yếu tương tự, đồng thời phát triển vật liệu và công nghệ thi công trong nước.

Next steps: Triển khai áp dụng thực tế tại các dự án xây dựng bể chứa mới, đồng thời tiếp tục nghiên cứu tối ưu thiết kế bấc thấm và gia tải phù hợp với từng loại đất. Chủ đầu tư và nhà thầu nên phối hợp chặt chẽ trong quản lý thi công và quan trắc để đảm bảo hiệu quả lâu dài.

Call to action: Các đơn vị xây dựng và quản lý dự án tại Quảng Ninh nên cân nhắc áp dụng phương pháp xử lý nền đất yếu bằng bấc thấm để nâng cao chất lượng công trình và tiết kiệm chi phí đầu tư.