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 vấn đề cấp thiết nhằm đảm bảo an toàn và hiệu quả kinh tế cho các công trình xây dựng. Đặc biệt, tại đoạn cao tốc Hồ Chí Minh – Long Thành – Dầu Giây, nền đất yếu có độ dày từ 4 đến 30m với đặc tính bùn sét, độ ẩm cao (80-100%) và hệ số quá cố kết trung bình 1.6, sức chống cắt không thoát nước dao động từ 11 đến 35 kPa, gây ra hiện tượng lún lớn và mất ổn định nền móng. Nghiên cứu này tập trung vào phương pháp xử lý nền đất yếu bằng gia tải hút chân không kết hợp với đắp đất và bấc thấm (Prefabricated Vertical Drains – PVD), nhằm đẩy nhanh quá trình cố kết, giảm thời gian thi công và tăng độ ổn định nền móng.

Mục tiêu chính của nghiên cứu là phân tích và kiểm chứng ứng xử cố kết của nền đất yếu dưới tác động của phương pháp kết hợp này thông qua các phương pháp tính toán giải tích, mô phỏng số bằng phần mềm Plaxis 2D và đối chiếu với số liệu quan trắc thực tế tại dự án cao tốc. Nghiên cứu cũng đề xuất biên độ phù hợp cho hệ số cố kết hướng trục so với hệ số cố kết đứng, so sánh hiệu quả giữa gia tải hút chân không và gia tải đắp đất, đồng thời xác định khoảng cách bấc thấm tối ưu nhằm nâng cao hiệu quả xử lý nền đất yếu.

Phạm vi nghiên cứu tập trung vào đoạn Km18+725 của cao tốc Hồ Chí Minh – Long Thành – Dầu Giây, với thời gian thực hiện từ tháng 2 đến tháng 6 năm 2023. Kết quả nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc cung cấp cơ sở khoa học cho thiết kế và thi công các dự án xử lý nền đất yếu tương tự, góp phần nâng cao chất lượng công trình và tiết kiệm chi phí đầu tư.

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, bao gồm:

  • Lý thuyết cố kết một chiều của Terzaghi (1943): Mô tả quá trình tiêu tán áp lực nước lỗ rỗng trong đất bão hòa dưới tác động của tải trọng, với giả thiết đất đồng nhất, thấm theo chiều dọc và không biến dạng nén.

  • Lý thuyết cố kết thấm hướng trục của Baron (1948) và Hansbo (1979): Mở rộng bài toán cố kết sang trường hợp thấm theo hướng ngang, phù hợp với ứng dụng bấc thấm trong xử lý nền đất yếu.

  • Mô hình gia tải chân không kết hợp bấc thấm của Indraratna (2005): Phân tích ảnh hưởng của áp lực chân không lên quá trình cố kết, đồng thời đề xuất công thức tính độ cố kết khi kết hợp gia tải chân không và đắp đất.

  • Phương pháp phân tích ngược hệ số cố kết C’h theo Asaoka (1978): Sử dụng dữ liệu quan trắc độ lún để đánh giá hệ số cố kết thực tế của nền đất sau xử lý.

Các khái niệm chính bao gồm: độ lún cố kết, áp lực nước lỗ rỗng thặng dư, hệ số cố kết đứng (Cv), hệ số cố kết hướng trục (Ch), vùng xáo trộn (smear zone) quanh bấc thấm, và khoảng cách bố trí bấc thấm (S).

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu sử dụng kết hợp các phương pháp sau:

  • Thu thập và phân tích số liệu thực tế: Dữ liệu địa chất, thí nghiệm cắt cánh hiện trường, thí nghiệm cố kết trong phòng, và số liệu quan trắc độ lún tại dự án cao tốc Hồ Chí Minh – Long Thành – Dầu Giây.

  • Phân tích giải tích: Áp dụng các công thức và mô hình cố kết một chiều, cố kết hướng trục, và mô hình gia tải chân không để tính toán dự báo độ lún và hệ số cố kết.

  • Mô phỏng số bằng phần tử hữu hạn: Sử dụng phần mềm Plaxis 2D phiên bản 20 để mô phỏng quá trình thi công và cố kết nền đất yếu theo mô hình phẳng của Indraratna (2000). Cỡ mẫu mô phỏng được lựa chọn phù hợp với kích thước thực tế, phương pháp chọn mẫu dựa trên đặc điểm địa chất và bố trí bấc thấm. Các mô hình vật liệu được sử dụng gồm mô hình Mohr-Coulomb, Hardening Soil và Soft Soil để mô phỏng chính xác tính chất cơ học của đất.

  • Phân tích so sánh và kiểm chứng: So sánh kết quả mô phỏng số, tính toán giải tích và số liệu quan trắc thực tế để đánh giá độ chính xác và hiệu quả của phương pháp xử lý nền đất yếu.

Thời gian nghiên cứu kéo dài từ tháng 2 đến tháng 6 năm 2023, đảm bảo thu thập đủ dữ liệu và hoàn thiện các phân tích cần thiết.

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 mô phỏng và quan trắc cho thấy phương pháp này rút ngắn thời gian cố kết khoảng 30-40% so với gia tải đắp đất truyền thống. Áp lực chân không duy trì trong khoảng 60-80 kPa giúp tăng ứng suất hữu hiệu, đẩy nhanh tiêu tán áp lực nước lỗ rỗng.

  2. Hệ số cố kết thực tế C’h được phân tích ngược: Sử dụng phương pháp Asaoka, hệ số cố kết đứng trung bình đạt khoảng 1.2 x 10^-7 m²/s, trong khi hệ số cố kết hướng trục được đề xuất nằm trong khoảng 0.5 đến 0.7 lần hệ số cố kết đứng, phù hợp với tiêu chuẩn TCCS 41:2022/TCĐBVN.

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

  4. So sánh chuyển vị ngang và áp lực nước lỗ rỗng: Mô phỏng Plaxis 2D cho thấy chuyển vị ngang tại chân mái dốc dưới tác động đồng thời của gia tải đắp và hút chân không dao động trong khoảng 5-8 cm, phù hợp với số liệu quan trắc thực tế. Áp lực nước lỗ rỗng thặng dư giảm nhanh hơn 50% trong 60 ngày đầu gia tải.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính của hiệu quả gia tải hút chân không là do áp lực chân không tạo ra lực hút làm giảm áp lực nước lỗ rỗng, tăng ứng suất hữu hiệu trong đất, từ đó đẩy nhanh quá trình cố kết. So với gia tải đắp đất truyền thống, phương pháp này hạn chế được chiều cao đắp và bệ phản áp, giảm nguy cơ trượt mái và tiết kiệm chi phí vật liệu.

Kết quả phân tích ngược hệ số cố kết C’h phù hợp với các nghiên cứu quốc tế, đồng thời đề xuất biên độ hệ số cố kết hướng trục giúp hoàn thiện tiêu chuẩn thiết kế trong nước. Việc xác định khoảng cách bấc thấm tối ưu dựa trên mô phỏng và thực tế giúp nâng cao hiệu quả xử lý, tránh lãng phí vật liệu và thời gian thi công.

Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ độ lún theo thời gian, biểu đồ áp lực nước lỗ rỗng thặng dư, và bảng so sánh chuyển vị ngang giữa mô phỏng và quan trắc, giúp minh họa rõ ràng hiệu quả của phương pháp xử lý nền đất yếu.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Áp dụng rộng rãi phương pháp gia tải hút chân không kết hợp bấc thấm và đắp đất: Khuyến nghị các dự án xử lý nền đất yếu tại khu vực có đặc điểm địa chất tương tự áp dụng phương pháp này để rút ngắn thời gian thi công và tăng độ ổn định nền móng. Thời gian thực hiện từ giai đoạn thiết kế đến thi công nên được điều chỉnh phù hợp với đặc tính đất và áp lực chân không tối ưu.

  2. Xây dựng tiêu chuẩn thiết kế chi tiết về hệ số cố kết hướng trục: Cần bổ sung các quy định cụ thể trong tiêu chuẩn thiết kế nền đường ô tô về biên độ hệ số cố kết hướng trục so với hệ số cố kết đứng, dựa trên kết quả phân tích ngược từ số liệu thực tế, nhằm nâng cao độ chính xác trong dự báo độ lún.

  3. Tối ưu khoảng cách bố trí bấc thấm: Đề xuất khoảng cách bấc thấm từ 1.0 đến 1.2 m để đảm bảo hiệu quả thoát nước và tiết kiệm chi phí thi công. Chủ đầu tư và nhà thầu cần phối hợp chặt chẽ trong việc kiểm soát khoảng cách này trong quá trình thi công.

  4. Sử dụng phần mềm mô phỏng số trong thiết kế và giám sát: Khuyến khích áp dụng phần mềm Plaxis 2D hoặc tương đương để mô phỏng quá trình cố kết và chuyển vị nền đất, giúp dự báo chính xác hơn và điều chỉnh phương án thi công kịp thời. Thời gian mô phỏng nên được thực hiện song song với giai đoạn khảo sát và thiết kế.

  5. Đào tạo và nâng cao năng lực chuyên môn: Tổ chức các khóa đào tạo chuyên sâu về công nghệ gia tải hút chân không và ứng dụng bấc thấm cho kỹ sư thiết kế và thi công nhằm đảm bảo chất lượng và hiệu quả của các dự án xử lý nền đất yếu.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Kỹ sư thiết kế công trình giao thông và hạ tầng: Luận văn cung cấp cơ sở khoa học và phương pháp tính toán chi tiết về xử lý nền đất yếu bằng gia tải hút chân không kết hợp bấc thấm, giúp nâng cao chất lượng thiết kế và dự báo độ lún chính xác.

  2. Nhà thầu thi công và giám sát công trình: Thông tin về quy trình thi công bấc thấm, gia tải hút chân không và các lưu ý kỹ thuật giúp tối ưu hóa quá trình thi công, giảm thiểu rủi ro và đảm bảo tiến độ dự án.

  3. Các nhà nghiên cứu và sinh viên ngành địa kỹ thuật xây dựng: Luận văn tổng hợp các lý thuyết cố kết truyền thống và hiện đại, đồng thời trình bày phương pháp mô phỏng số hiện đại, là tài liệu tham khảo quý giá cho nghiên cứu và học tập.

  4. Cơ quan quản lý và ban hành tiêu chuẩn xây dựng: Kết quả nghiên cứu đề xuất các giá trị hệ số cố kết và khoảng cách bấc thấm phù hợp, hỗ trợ trong việc hoàn thiện tiêu chuẩn kỹ thuật và quy trình thi công xử lý nền đất yếu.

Câu hỏi thường gặp

  1. Phương pháp gia tải hút chân không kết hợp bấc thấm có ưu điểm gì so với gia tải đắp đất truyền thống?
    Gia tải hút chân không giúp giảm chiều cao đắp đất và bệ phản áp, rút ngắn thời gian cố kết khoảng 30-40%, đồng thời tăng độ ổn định nền đất nhờ áp lực chân không làm giảm áp lực nước lỗ rỗng.

  2. Hệ số cố kết hướng trục và cố kết đứng khác nhau như thế nào và tại sao cần phân tích?
    Hệ số cố kết hướng trục (Ch) phản ánh khả năng thoát nước theo phương ngang qua bấc thấm, thường nhỏ hơn hệ số cố kết đứng (Cv). Phân tích giúp dự báo chính xác hơn độ lún và thời gian cố kết trong thiết kế.

  3. Khoảng cách bấc thấm tối ưu là bao nhiêu và ảnh hưởng thế nào đến hiệu quả xử lý?
    Khoảng cách bấc thấm tối ưu nằm trong khoảng 1.0-1.2 m, giúp cân bằng hiệu quả thoát nước và chi phí thi công. Khoảng cách quá lớn làm giảm hiệu quả cố kết, quá nhỏ gây lãng phí vật liệu.

  4. Phần mềm Plaxis 2D được sử dụng như thế nào trong nghiên cứu này?
    Plaxis 2D mô phỏng quá trình thi công và cố kết nền đất yếu theo mô hình phẳng, giúp dự báo chuyển vị, áp lực nước lỗ rỗng và đánh giá hiệu quả phương pháp xử lý, từ đó so sánh với số liệu thực tế để kiểm chứng.

  5. Phương pháp Asaoka được áp dụng ra sao trong đánh giá độ lún?
    Phương pháp Asaoka sử dụng dữ liệu quan trắc độ lún theo thời gian để phân tích ngược hệ số cố kết thực tế, giúp dự báo độ lún cuối cùng và thời gian cố kết chính xác hơn trong điều kiện thực tế.

Kết luận

  • Phương pháp gia tải hút chân không kết hợp bấc thấm và đắp đất là giải pháp hiệu quả, rút ngắn thời gian cố kết khoảng 30-40% so với phương pháp truyền thống.
  • Hệ số cố kết hướng trục được đề xuất trong khoảng 0.5-0.7 lần hệ số cố kết đứng, phù hợp với tiêu chuẩn thiết kế hiện hành.
  • Khoảng cách bấc thấm tối ưu từ 1.0 đến 1.2 m giúp cân bằng hiệu quả xử lý và chi phí thi công.
  • Mô phỏng số bằng Plaxis 2D cho kết quả tương đồng với số liệu quan trắc thực tế, khẳng định tính ứng dụng của mô hình trong thiết kế và giám sát.
  • Đề xuất áp dụng rộng rãi phương pháp này trong các dự án xử lý nền đất yếu, đồng thời hoàn thiện tiêu chuẩn thiết kế và nâng cao năng lực chuyên môn cho đội ngũ kỹ sư.

Next steps: Triển khai áp dụng kết quả nghiên cứu vào các dự án thực tế, tiếp tục cập nhật và hoàn thiện mô hình mô phỏng, đồng thời tổ chức đào tạo chuyên sâu cho cán bộ kỹ thuật.

Call to action: Các đơn vị thiết kế, thi công và quản lý dự án nên phối hợp nghiên cứu và áp dụng phương pháp gia tải hút chân không kết hợp bấc thấm để nâng cao hiệu quả xử lý nền đất yếu, đảm bảo chất lượng và tiến độ công trình.