Tổng quan nghiên cứu

Trong bối cảnh phát triển mạnh mẽ của ngành địa kỹ thuật và nhu cầu mở rộng hạ tầng giao thông tại Việt Nam, việc xử lý nền đất yếu trở thành một thách thức quan trọng. Đặc biệt, đoạn cao tốc Hồ Chí Minh – Long Thành – Dầu Giây có nền đất yếu với lớp bùn sét dày từ 4 đến 30m, độ ẩm cao (80-100%) và sức chống cắt không thoát nước thấp (11-35 kPa), gây ra hiện tượng lún lớn và mất ổn định nền móng. Theo ước tính, việc xử lý nền đất yếu chiếm phần lớn chi phí và thời gian thi công các dự án hạ tầng giao thông.

Phương pháp gia tải hút chân không kết hợp với đắp đất và bấc thấm (Prefabricated Vertical Drains – PVD) được xem là giải pháp hiệu quả nhằm rút ngắn thời gian cố kết, tăng cường độ ổn định và giảm chi phí đầu tư. Áp lực chân không được duy trì trong khoảng 60-80 kPa, giúp tăng ứng suất hữu hiệu và đẩy nhanh quá trình tiêu tán áp lực nước lỗ rỗng. Nghiên cứu này tập trung phân tích ứng xử nền đất yếu dưới tác động của phương pháp này tại đoạn cao tốc Hồ Chí Minh – Long Thành – Dầu Giây, dựa trên số liệu quan trắc thực tế, mô phỏng số và tính toán giải tích.

Mục tiêu cụ thể gồm: phân tích ứng xử cố kết của nền đất khi sử dụng bấc thấm kết hợp gia tải hút chân không và đắp đất; đánh giá hệ số cố kết C’h qua phương pháp Asaoka; so sánh hiệu quả giữa gia tải hút chân không và gia tải đắp đất; xác định khoảng cách bấc thấm tối ưu phù hợp với tiêu chuẩn thiết kế. Phạm vi nghiên cứu tập trung vào nền đất yếu tại vị trí KM18+725 của dự án cao tốc, trong khoảng thời gian từ tháng 2 đến tháng 6 năm 2023. Kết quả nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc nâng cao hiệu quả xử lý nền đất yếu, giảm thiểu rủi ro lún không đều và hỗ trợ thiết kế các công trình giao thông tương tự trong tương lai.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu dựa trên các lý thuyết cố kết truyền thống và hiện đại trong địa kỹ thuật xây dựng. Lý thuyết cố kết một chiều của Terzaghi (1943) được sử dụng để mô tả quá trình tiêu tán áp lực nước lỗ rỗng trong đất bão hòa dưới tác động tải trọng, với giả thiết đất đồng nhất, thấm theo chiều dọc và tuân theo định luật Darcy. Phương trình cố kết một chiều được biểu diễn qua hệ số cố kết đứng $C_v$ và chiều dài đường thoát nước $H$, cho phép tính toán độ lún theo thời gian.

Lý thuyết cố kết thấm hướng trục của Baron (1948) và lời giải rút gọn của Hansbo (1979) được áp dụng để mô tả quá trình cố kết quanh bấc thấm (PVD), với hệ số cố kết ngang $C_h$. Hai phương án bố trí bấc thấm phổ biến là lưới tam giác và lưới hình vuông, trong đó lưới tam giác tạo vùng ảnh hưởng đồng đều hơn. Vùng xáo trộn (smear zone) quanh bấc thấm làm giảm tính thấm và ảnh hưởng đến hiệu quả thoát nước, được xem xét trong mô hình.

Phương pháp gia tải hút chân không được mô tả qua nguyên lý tạo áp suất âm trong màng kín khí hoặc hệ thống ống nối trực tiếp với PVD, giúp tăng ứng suất hữu hiệu và đẩy nhanh quá trình cố kết. Công thức tính độ cố kết khi kết hợp gia tải chân không và đắp đất theo Indraratna (2005) được sử dụng để dự báo độ lún tổng.

Phương pháp Asaoka (1987) được áp dụng để phân tích ngược hệ số cố kết C’h từ số liệu quan trắc độ lún thực tế, giúp đánh giá chính xác hiệu quả xử lý nền đất. Ngoài ra, các mô hình phân bố ứng suất tải trọng theo Osterberg (1957) và dự báo chuyển vị ngang theo Manh Duc Nguyen (2017) cũng được tích hợp trong nghiên cứu.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu chính bao gồm số liệu quan trắc thực tế từ dự án cao tốc Hồ Chí Minh – Long Thành – Dầu Giây tại vị trí KM18+725, với 199 lỗ khoan địa chất và 48 thí nghiệm cắt cánh hiện trường để xác định sức chống cắt không thoát nước. Các thí nghiệm trong phòng thí nghiệm được thực hiện để xác định đặc tính cơ lý của đất, bao gồm chỉ số nén, chỉ số nở và hệ số thấm.

Phương pháp phân tích gồm ba bước chính: (1) tính toán giải tích dựa trên lý thuyết cố kết một chiều và cố kết hướng trục; (2) mô phỏng số bằng phần mềm Plaxis 2D phiên bản 20, sử dụng mô hình phần tử hữu hạn với mô hình Soft Soil (SS) và Hardening Soil (HS) để mô phỏng quá trình thi công và cố kết; (3) phân tích ngược hệ số cố kết C’h từ số liệu quan trắc bằng phương pháp Asaoka.

Cỡ mẫu nghiên cứu bao gồm toàn bộ số liệu quan trắc lún và chuyển vị trong khoảng thời gian thi công từ tháng 2 đến tháng 6 năm 2023. Phương pháp chọn mẫu dựa trên vị trí đại diện cho nền đất yếu điển hình của dự án. Timeline nghiên cứu được thực hiện trong vòng 4 tháng, từ khi nhận nhiệm vụ đến hoàn thành báo cáo.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Hiệu quả gia tải hút chân không kết hợp bấc thấm và đắp đất: Kết quả quan trắc cho thấy độ lún tổng đạt khoảng 85% sau 120 ngày thi công, trong khi phương pháp gia tải đắp đất truyền thống mất hơn 180 ngày để đạt mức tương tự. Mô phỏng số bằng Plaxis 2D cho thấy áp lực nước lỗ rỗng thặng dư giảm nhanh hơn 30% so với phương pháp đắp đất đơn thuần.

  2. Hệ số cố kết C’h thực tế: Phân tích ngược bằng phương pháp Asaoka xác định hệ số cố kết đứng trung bình là 1.2 x 10^-7 m²/s, trong khi hệ số cố kết ngang được đề xuất trong khoảng 0.5 đến 1.0 lần hệ số đứng, phù hợp với tiêu chuẩn TCCS 41:2022. Điều này giúp cải thiện độ chính xác trong dự báo độ lún và thời gian cố kết.

  3. So sánh hai phương pháp gia tải: Gia tải hút chân không giảm chiều cao đắp đất cần thiết khoảng 25%, đồng thời giảm bệ phản áp và chi phí thi công. Độ lún cuối cùng của nền đất sau gia tải hút chân không cao hơn khoảng 10% so với gia tải đắp đất, cho thấy hiệu quả cải tạo tốt hơn.

  4. Khoảng cách bấc thấm tối ưu: Nghiên cứu xác định khoảng cách bấc thấm tối ưu là 1.0 đến 1.2 m, giúp cân bằng giữa hiệu quả thoát nước và chi phí thi công. Khoảng cách lớn hơn 1.5 m làm giảm hiệu quả cố kết khoảng 15%, trong khi khoảng cách nhỏ hơn 0.8 m không mang lại lợi ích kinh tế đáng kể.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính của hiệu quả gia tải hút chân không là do áp lực âm tạo ra lực hút khí quyển, làm tăng ứng suất hữu hiệu và đẩy nhanh quá trình tiêu tán áp lực nước lỗ rỗng. So với nghiên cứu của Indraratna (2005) và Hansbo (1979), kết quả mô phỏng và quan trắc tại dự án cao tốc phù hợp với mô hình lý thuyết, khẳng định tính ứng dụng thực tiễn của phương pháp.

Việc phân tích ngược hệ số cố kết C’h từ số liệu thực tế giúp điều chỉnh giả thiết trong tiêu chuẩn thiết kế, nâng cao độ tin cậy trong dự báo lún. So sánh giữa hai phương pháp gia tải cho thấy gia tải hút chân không không chỉ rút ngắn thời gian thi công mà còn giảm thiểu rủi ro trượt mái và biến dạng ngang, điều này được minh họa qua biểu đồ chuyển vị ngang so sánh giữa quan trắc và mô phỏng.

Khoảng cách bấc thấm tối ưu được xác định dựa trên phân tích mô phỏng áp lực nước lỗ rỗng và độ lún, phù hợp với các nghiên cứu trước đây nhưng có điều chỉnh phù hợp với điều kiện địa chất đặc thù của khu vực nghiên cứu. Các biểu đồ phân bố áp lực chân không và độ lún theo thời gian minh họa rõ ràng sự khác biệt giữa các phương án bố trí bấc thấm.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Áp dụng rộng rãi phương pháp gia tải hút chân không kết hợp bấc thấm và đắp đất trong các dự án xử lý nền đất yếu, đặc biệt tại các khu vực có lớp đất bùn sét dày và hệ số thấm thấp, nhằm rút ngắn thời gian thi công và giảm chi phí đầu tư.

  2. Xác định khoảng cách bấc thấm tối ưu trong khoảng 1.0 – 1.2 m để đảm bảo hiệu quả thoát nước và tiết kiệm vật liệu, đồng thời giảm thiểu ảnh hưởng vùng xáo trộn, được thực hiện trong giai đoạn thiết kế kỹ thuật.

  3. Sử dụng phương pháp phân tích ngược hệ số cố kết C’h từ số liệu quan trắc thực tế để điều chỉnh các giả thiết thiết kế, nâng cao độ chính xác trong dự báo độ lún và thời gian cố kết, áp dụng trong công tác giám sát và đánh giá hiệu quả xử lý nền.

  4. Đào tạo và nâng cao năng lực cho cán bộ kỹ thuật và nhà thầu thi công về kỹ thuật gia tải hút chân không và lắp đặt bấc thấm, đảm bảo thi công đúng quy trình, duy trì áp lực chân không ổn định trong suốt quá trình cố kết.

  5. Triển khai hệ thống quan trắc đồng bộ và mô phỏng số bằng phần mềm chuyên dụng như Plaxis 2D để theo dõi, đánh giá và dự báo ứng xử nền đất trong quá trình thi công, giúp kịp thời điều chỉnh biện pháp thi công phù hợp.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Kỹ sư địa kỹ thuật và thiết kế công trình giao thông: Nghiên cứu cung cấp cơ sở khoa học và dữ liệu thực nghiệm để thiết kế các biện pháp xử lý nền đất yếu hiệu quả, đặc biệt trong các dự án đường cao tốc và hạ tầng giao thông.

  2. Nhà thầu thi công và quản lý dự án: Tham khảo quy trình thi công bấc thấm, gia tải hút chân không và đắp đất, giúp tối ưu hóa tiến độ thi công, kiểm soát chất lượng và giảm thiểu rủi ro kỹ thuật.

  3. Các nhà nghiên cứu và sinh viên chuyên ngành địa kỹ thuật xây dựng: Tài liệu tổng hợp các lý thuyết cố kết, mô hình mô phỏng số và phương pháp phân tích ngược, hỗ trợ nghiên cứu chuyên sâu và phát triển công nghệ xử lý nền đất yếu.

  4. Cơ quan quản lý và ban quản lý dự án hạ tầng: Cung cấp thông tin tham khảo để xây dựng tiêu chuẩn, quy trình nghiệm thu và giám sát thi công các công trình xử lý nền đất yếu, đảm bảo an toàn và hiệu quả đầu tư.

Câu hỏi thường gặp

  1. Phương pháp gia tải hút chân không có ưu điểm gì so với gia tải đắp đất truyền thống?
    Gia tải hút chân không giúp rút ngắn thời gian cố kết khoảng 30-40%, giảm chiều cao đắp đất cần thiết khoảng 25%, đồng thời giảm chi phí bệ phản áp và nguy cơ trượt mái, nhờ áp lực âm tăng ứng suất hữu hiệu và đẩy nhanh tiêu tán áp lực nước lỗ rỗng.

  2. Khoảng cách bấc thấm tối ưu là bao nhiêu và tại sao?
    Khoảng cách bấc thấm tối ưu được xác định trong khoảng 1.0 – 1.2 m, cân bằng giữa hiệu quả thoát nước và chi phí thi công. Khoảng cách lớn hơn làm giảm hiệu quả cố kết, nhỏ hơn không mang lại lợi ích kinh tế đáng kể do tăng chi phí vật liệu và thi công.

  3. Phương pháp Asaoka được sử dụng như thế nào trong nghiên cứu này?
    Phương pháp Asaoka phân tích ngược hệ số cố kết C’h từ số liệu quan trắc độ lún theo thời gian, giúp đánh giá chính xác hiệu quả xử lý nền đất và điều chỉnh giả thiết thiết kế phù hợp với điều kiện thực tế.

  4. Phần mềm Plaxis 2D có vai trò gì trong nghiên cứu?
    Plaxis 2D được sử dụng để mô phỏng quá trình thi công và cố kết nền đất yếu dưới tác động của gia tải hút chân không và đắp đất, giúp so sánh kết quả mô phỏng với số liệu quan trắc và tính toán giải tích, từ đó kiểm chứng và tối ưu biện pháp xử lý.

  5. Phương pháp gia tải hút chân không có thể áp dụng cho loại đất nào?
    Phương pháp này phù hợp với các loại đất bùn sét yếu, có hệ số thấm thấp và độ dày lớn, nơi mà gia tải đắp đất truyền thống gặp hạn chế về độ ổn định và thời gian cố kết, như tại các vùng trầm tích sông ngòi và đất bão hòa nước.

Kết luận

  • Nghiên cứu đã xác định hiệu quả vượt trội của phương pháp gia tải hút chân không kết hợp bấc thấm và đắp đất trong xử lý nền đất yếu tại cao tốc Hồ Chí Minh – Long Thành – Dầu Giây, rút ngắn thời gian cố kết và giảm chi phí thi công.
  • Hệ số cố kết C’h thực tế được phân tích ngược từ số liệu quan trắc, đề xuất biên độ phù hợp giữa hệ số cố kết ngang và đứng, nâng cao độ chính xác trong thiết kế.
  • So sánh hai phương pháp gia tải cho thấy gia tải hút chân không giảm chiều cao đắp đất cần thiết khoảng 25%, đồng thời giảm rủi ro trượt mái và biến dạng ngang.
  • Khoảng cách bấc thấm tối ưu được xác định trong khoảng 1.0 – 1.2 m, giúp cân bằng hiệu quả thoát nước và chi phí thi công.
  • Các kết quả mô phỏng số bằng Plaxis 2D và phân tích giải tích tương quan tốt với số liệu quan trắc thực tế, cung cấp cơ sở khoa học cho các dự án xử lý nền đất yếu tương lai.

Next steps: Triển khai áp dụng các giải pháp đề xuất trong các dự án xử lý nền đất yếu, đồng thời mở rộng nghiên cứu về ảnh hưởng của hệ số thấm vùng xáo trộn và sức chống cắt tăng thêm trong quá trình gia tải.

Call to action: Các chuyên gia, kỹ sư và nhà quản lý dự án được khuyến khích áp dụng kết quả nghiên cứu để nâng cao hiệu quả xử lý nền đất yếu, đồng thời tiếp tục cập nhật và phát triển các phương pháp mô phỏng và quan trắc hiện đại.