Tổng quan nghiên cứu

Nền đường đắp trên đất yếu là một trong những thách thức lớn trong xây dựng hạ tầng giao thông tại Việt Nam, đặc biệt khi đất yếu có khả năng chịu tải thấp, biến dạng lớn và dễ bị phá hoại do lún trồi, trượt sâu hoặc biến dạng lún kéo dài. Theo báo cáo khảo sát địa chất tại dự án nâng cấp tuyến đường Pháp Vân – Cầu Giẽ (giai đoạn 2, năm 2017), lớp đất yếu có chiều dày trung bình khoảng 10m, bao gồm đất bụi dẻo, sét dẻo mềm xen kẽ với các lớp cát, gây khó khăn trong việc đảm bảo ổn định và độ bền của nền đường. Mục tiêu nghiên cứu là đánh giá hiệu quả kỹ thuật và kinh tế của biện pháp xử lý nền đường đắp trên đất yếu bằng cọc CFG (Cement Flyash Gravel) – một loại cọc bê tông nghèo sử dụng xi măng, tro bay và đá sỏi, áp dụng cho phân đoạn Km207+812,36 – Km207+862,36 trái tuyến của dự án. Nghiên cứu tập trung vào thiết kế, thi công, kiểm soát chất lượng và so sánh với giải pháp cọc xi măng đất truyền thống nhằm đề xuất giải pháp tối ưu cho điều kiện Việt Nam. Việc áp dụng cọc CFG không chỉ nâng cao độ ổn định nền đường mà còn góp phần tiêu thụ khoảng 56 triệu tấn tro, xỉ nhiệt điện theo mục tiêu của Chính phủ đến năm 2020, giảm thiểu tác động môi trường từ việc chôn lấp tro xỉ thải. Phạm vi nghiên cứu bao gồm khảo sát địa chất, thiết kế kỹ thuật, thi công và đánh giá hiệu quả kinh tế – kỹ thuật của biện pháp cọc CFG trong điều kiện thực tế tại Hà Nội.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên các lý thuyết và mô hình nền móng liên hợp, trong đó cọc CFG cùng đất nền giữa các cọc tạo thành hệ móng liên hợp chịu tải trọng nền đắp. Các khái niệm chính bao gồm:

  • Đất yếu: Đất có sức chịu tải thấp (khoảng 0,0 daN/cm²), mô đun biến dạng thấp (Eo ≈ 50 daN/cm²), hệ số rỗng lớn (e > 1), dễ bị lún và trượt.
  • Cọc CFG: Cọc bê tông nghèo gồm xi măng, tro bay, đá sỏi và cát, có cường độ từ C15 đến C25, đường kính 350-600mm, chiều dài thiết kế khoảng 10,5m.
  • Móng liên hợp: Hệ móng gồm cọc và đất nền giữa các cọc làm việc đồng thời, phân bố tải trọng hiệu quả, giảm biến dạng và tăng độ ổn định.
  • Tầng đệm đầu cọc: Lớp đá dăm dày 0,5m, kết hợp với lưới địa kỹ thuật chịu lực kéo, phân bố tải trọng đều lên cọc và đất nền.

Các tiêu chuẩn kỹ thuật áp dụng gồm TCVN 10302:2014 về tro bay, TCVN 5729-2012 về thiết kế đường ô tô cao tốc, tiêu chuẩn Trung Quốc JGJ 79-2012 về xử lý nền móng bằng cọc CFG, cùng các quy định về kiểm soát chất lượng thi công và nghiệm thu.

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu kết hợp phương pháp lý thuyết và thực nghiệm, bao gồm:

  • Thu thập dữ liệu: Khảo sát địa chất thực tế tại phân đoạn Km207+812,36 – Km207+862,36 trái tuyến, thu thập chỉ tiêu cơ lý đất, mực nước ngầm, tải trọng thiết kế.
  • Phân tích và tính toán thiết kế: Sử dụng công thức tính sức chịu tải cọc đơn, sức chịu tải nền liên hợp, độ lún nền theo nguyên lý móng liên hợp, thiết kế tầng đệm và lưới địa kỹ thuật.
  • So sánh giải pháp: Đánh giá hiệu quả kỹ thuật và kinh tế giữa biện pháp cọc CFG và cọc xi măng đất truyền thống.
  • Timeline nghiên cứu: Nghiên cứu thực hiện trong năm 2017, áp dụng cho dự án nâng cấp tuyến đường Pháp Vân – Cầu Giẽ giai đoạn 2.

Phương pháp chọn mẫu dựa trên phân đoạn điển hình có đặc điểm địa chất đại diện, cỡ mẫu tính toán phù hợp với quy mô dự án. Phân tích số liệu sử dụng phần mềm chuyên ngành và các tiêu chuẩn kỹ thuật hiện hành.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Hiệu quả chịu tải và ổn định nền: Sức chịu tải cọc CFG tính toán đạt 932,7 kN/cọc, sức chịu tải nền liên hợp đạt 161,3 kPa, hệ số an toàn Fs = 1,90 > 1,20, đảm bảo ổn định nền đường. Độ cứng cọc CFG đủ điều kiện kỹ thuật với cường độ bê tông 143 kG/cm².

  2. Độ lún nền: Tổng độ lún nền xử lý bằng cọc CFG là 7,08 cm, thỏa mãn yêu cầu kỹ thuật (Sr < 10 cm). So với giải pháp cọc xi măng đất có độ lún 2,4 cm, cọc CFG có độ lún lớn hơn do khoảng cách cọc lớn hơn (3m so với 1,2m), nhưng vẫn trong giới hạn cho phép.

  3. Chi phí xây dựng: Chi phí thi công cọc CFG thấp hơn đáng kể so với cọc xi măng đất, với mức tiết kiệm khoảng 150 triệu đồng cho mỗi 6m chiều dài xử lý. Đơn giá thi công cọc CFG là 370.000 đồng/m, trong khi cọc xi măng đất là 459.799 đồng/m.

  4. Khả năng ứng dụng và thi công: Công nghệ thi công cọc CFG bằng phương pháp khoan ruột gà và rung ống vách tương đồng với các công nghệ thi công cọc BTLT ứng suất trước, cọc khoan nhồi mini và cọc PCC đã được áp dụng thành công tại Việt Nam, tạo thuận lợi cho việc chuyển giao và ứng dụng.

Thảo luận kết quả

Kết quả cho thấy cọc CFG là giải pháp kỹ thuật hiệu quả trong xử lý nền đất yếu, vừa đảm bảo độ ổn định, vừa kiểm soát được độ lún trong giới hạn cho phép. Mặc dù độ lún lớn hơn so với cọc xi măng đất, nhưng vẫn đáp ứng yêu cầu kỹ thuật và có lợi thế về chi phí. Việc sử dụng tro bay trong thành phần cọc không chỉ giảm giá thành mà còn góp phần giải quyết vấn đề môi trường do lượng tro xỉ nhiệt điện thải ra lớn (ước tính 109 triệu tấn/năm). So sánh với các nghiên cứu quốc tế, đặc biệt tại Trung Quốc, công nghệ cọc CFG đã được chứng minh hiệu quả trong nhiều công trình giao thông lớn, phù hợp với điều kiện địa chất tương tự Việt Nam. Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ so sánh độ lún và chi phí giữa các giải pháp, bảng tổng hợp chỉ tiêu kỹ thuật và sơ đồ quy trình thi công để minh họa tính khả thi và hiệu quả.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Thử nghiệm thi công cọc CFG tại các dự án giao thông trọng điểm: Thực hiện thi công thử nghiệm để đánh giá chất lượng thi công, quan trắc biến dạng và hiệu quả lâu dài, nhằm hoàn thiện quy trình và tiêu chuẩn kỹ thuật phù hợp với điều kiện Việt Nam. Thời gian đề xuất: 6-12 tháng; Chủ thể: Bộ GTVT, các nhà thầu xây dựng.

  2. Xây dựng tiêu chuẩn kỹ thuật và hướng dẫn thi công cọc CFG: Dựa trên kết quả nghiên cứu và thử nghiệm, xây dựng bộ tiêu chuẩn kỹ thuật quốc gia về khảo sát, thiết kế, thi công và nghiệm thu cọc CFG, tạo cơ sở pháp lý cho việc áp dụng rộng rãi. Thời gian: 12-18 tháng; Chủ thể: Bộ Xây dựng, Viện Khoa học công nghệ xây dựng.

  3. Đẩy mạnh sử dụng tro bay trong vật liệu xây dựng: Khuyến khích các nhà máy nhiệt điện phối hợp với ngành xây dựng để cung cấp tro bay đạt chuẩn, thúc đẩy tiêu thụ tro bay trong sản xuất cọc CFG, góp phần bảo vệ môi trường. Thời gian: liên tục; Chủ thể: Bộ Công Thương, Bộ TN&MT, Bộ Xây dựng.

  4. Đào tạo và nâng cao năng lực thi công: Tổ chức các khóa đào tạo, chuyển giao công nghệ cho đội ngũ kỹ thuật và công nhân thi công về công nghệ cọc CFG, đảm bảo chất lượng và tiến độ thi công. Thời gian: 6-12 tháng; Chủ thể: các trường đại học, viện nghiên cứu, doanh nghiệp xây dựng.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Các nhà quản lý dự án giao thông và xây dựng: Nhận diện giải pháp xử lý nền đất yếu hiệu quả, tối ưu chi phí và thời gian thi công, áp dụng cho các dự án đường bộ, đường cao tốc.

  2. Kỹ sư thiết kế và tư vấn xây dựng: Áp dụng các phương pháp tính toán, thiết kế móng liên hợp cọc CFG, lựa chọn vật liệu và quy trình thi công phù hợp với điều kiện địa chất Việt Nam.

  3. Nhà thầu thi công và giám sát công trình: Nắm bắt công nghệ thi công cọc CFG, kiểm soát chất lượng thi công, đảm bảo tiến độ và an toàn công trình.

  4. Các nhà nghiên cứu và sinh viên ngành kỹ thuật xây dựng, giao thông: Tham khảo cơ sở lý thuyết, phương pháp nghiên cứu và ứng dụng thực tiễn về xử lý nền đất yếu bằng cọc CFG, phát triển nghiên cứu tiếp theo.

Câu hỏi thường gặp

  1. Cọc CFG là gì và có ưu điểm gì so với các loại cọc khác?
    Cọc CFG là cọc bê tông nghèo gồm xi măng, tro bay và đá sỏi, có ưu điểm chịu tải cao, biến dạng nhỏ, thi công nhanh, chi phí thấp và tận dụng tro bay thải, góp phần bảo vệ môi trường.

  2. Phương pháp thi công cọc CFG phổ biến hiện nay?
    Hai phương pháp chính là khoan ruột gà tạo lỗ trước rồi đổ hỗn hợp CFG và rung ống vách thép hạ ống rồi đổ bê tông, sau đó rút ống vách lên tạo thành cọc.

  3. Cọc CFG có thể áp dụng cho loại đất yếu nào?
    Phù hợp với đất dính, đất bùn, đất đắp trầm tích và cát, đặc biệt các khu vực có lớp đất yếu dày từ 1,8 đến 12m, cần xử lý nền đường đầu cầu, cống hoặc nền đường mở rộng.

  4. Hiệu quả kinh tế của cọc CFG so với cọc xi măng đất như thế nào?
    Chi phí thi công cọc CFG thấp hơn khoảng 25-30% so với cọc xi măng đất, tiết kiệm khoảng 150 triệu đồng cho mỗi 6m chiều dài xử lý, đồng thời giảm thời gian thi công.

  5. Làm thế nào để kiểm soát chất lượng thi công cọc CFG?
    Giám sát vật liệu đầu vào, kiểm tra độ sụt, cường độ bê tông, vị trí và độ thẳng đứng cọc, tốc độ thi công, lấy mẫu thí nghiệm cường độ và biến dạng, tuân thủ tiêu chuẩn kỹ thuật hiện hành.

Kết luận

  • Đất yếu có đặc tính chịu tải thấp, biến dạng lớn, dễ gây phá hoại nền đường đắp nếu không xử lý đúng kỹ thuật.
  • Cọc CFG là giải pháp xử lý nền đất yếu hiệu quả, tận dụng tro bay nhiệt điện, giảm chi phí và bảo vệ môi trường.
  • Thi công cọc CFG bằng khoan ruột gà và rung ống vách tương đồng với các công nghệ thi công cọc đã phổ biến tại Việt Nam, thuận lợi cho ứng dụng.
  • Áp dụng cọc CFG cho dự án nâng cấp tuyến đường Pháp Vân – Cầu Giẽ cho thấy hiệu quả kỹ thuật và kinh tế vượt trội so với cọc xi măng đất truyền thống.
  • Khuyến nghị triển khai thử nghiệm thi công, xây dựng tiêu chuẩn kỹ thuật và đào tạo nhân lực để phát triển rộng rãi công nghệ cọc CFG tại Việt Nam.

Next steps: Thực hiện thi công thử nghiệm, hoàn thiện tiêu chuẩn kỹ thuật, phối hợp các bộ ngành thúc đẩy ứng dụng.

Call to action: Các nhà quản lý, kỹ sư và nhà thầu hãy nghiên cứu và áp dụng công nghệ cọc CFG để nâng cao chất lượng và hiệu quả các công trình giao thông trên nền đất yếu.