Nghiên cứu phương pháp xử lý nông nền đất yếu cho địa chất vùng đồng bằng sông Cửu Long

Tài liệu nghiên cứu Hcmute nghiên cứu phương pháp xử lý nông nền đất yếu theo ổn định toàn khối cho địa chất điển hình, tổng hợp lý thuyết và thực hành, cung cấp kiến thức chuyên

• Tác giả: Nguyễn Thế Anh
• Người hướng dẫn: TS. Nguyễn Thế Anh
• Trường học: Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Thành Phố Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Khoa Xây Dựng
• Đề tài: Nghiên Cứu Phương Pháp Xử Lý Nông Nền Đất Yếu Theo Ổn Định Toàn Khối Cho Địa Chất Điển Hình Vùng Đồng Bằng Sông Cửu Long
• Loại tài liệu: Báo Cáo Tổng Kết Đề Tài NCKH Cấp Trường Trọng Điểm
• Năm xuất bản: 2021
• Địa điểm: Tp. Hồ Chí Minh

Tóm tắt

I. Nghiên cứu xử lý nông nền đất yếu tại Đồng bằng Sông Cửu Long Tổng quan về vấn đề

Đồng bằng sông Cửu Long (ĐBSCL) là khu vực có nền đất yếu, chủ yếu là sét và bùn sét. Điều này gây khó khăn cho xây dựng. Nền đất yếu ảnh hưởng đến sự ổn định công trình. Nhiều nghiên cứu tập trung vào xử lý nông nền đất yếu. Các phương pháp phổ biến bao gồm gia cố nông như trộn xi măng, vôi. Hiệu quả của mỗi phương pháp phụ thuộc vào đặc điểm địa chất cụ thể. Nghiên cứu này tập trung vào đánh giá hiệu quả biện pháp xử lý nền đất yếu bằng mô phỏng số, tiết kiệm chi phí và thời gian so với thí nghiệm thực tế. Nghiên cứu khoa học nền đất yếu là cần thiết cho phát triển bền vững ĐBSCL. Tài liệu tham khảo cho thấy nhiều giải pháp xử lý nền đất yếu được áp dụng trên thế giới và Việt Nam. Tuy nhiên, tính phù hợp với điều kiện địa chất ĐBSCL cần được xem xét kỹ lưỡng. Đánh giá nền đất yếu ĐBSCL cho thấy sự đa dạng về thành phần đất, ảnh hưởng đến lựa chọn phương pháp xử lý. An toàn công trình trên nền đất yếu là ưu tiên hàng đầu. Tiêu chuẩn xử lý nền đất yếu cần được tuân thủ chặt chẽ.

1.1. Nền đất yếu Đồng bằng Sông Cửu Long Đặc điểm và thách thức

Khu vực Đồng bằng Sông Cửu Long có đặc điểm địa chất phức tạp. Nền đất yếu ĐBSCL chủ yếu là sét, bùn sét, đất hữu cơ. Độ sệt cao, khả năng chịu tải thấp. Điều này gây ra nhiều thách thức cho xây dựng. Sạt lở đất là mối nguy hiểm thường trực. Nghiên cứu địa điểm nền đất yếu ĐBSCL giúp xác định chính xác loại đất. Phân tích nền đất yếu là bước quan trọng. Mô hình hóa nền đất yếu giúp dự đoán hành vi của đất. Giám sát nền đất yếu cần được thực hiện thường xuyên. Tài liệu nghiên cứu nền đất yếu cung cấp thông tin về các đặc tính cơ lý học của đất. Cải tạo đất yếu là giải pháp cần thiết. Vật liệu xử lý nền đất yếu đa dạng, cần lựa chọn phù hợp. Chi phí xử lý nền đất yếu là yếu tố quan trọng cần xem xét. Công nghệ xử lý đất yếu hiện đại đóng vai trò quan trọng trong việc nâng cao chất lượng công trình.

1.2. Phương pháp xử lý nông nền đất yếu Ưu nhược điểm và ứng dụng

Nhiều kỹ thuật xử lý nền đất yếu được nghiên cứu và áp dụng. Cải thiện nền đất yếu bằng các biện pháp xử lý nông như trộn xi măng, vôi, các chất phụ gia khác. Trộn xi măng làm tăng độ cứng, sức chịu tải. Bơm vữa xi măng gia cố đất yếu. Cọc ép tĩnh cải thiện nền móng. Cọc khoan nhồi tăng sức chịu tải. Cọc bê tông cốt thép là giải pháp phổ biến. Đào đất yếu thay thế là phương pháp tốn kém. Gia cố nền đất bằng vật liệu địa kỹ thuật là hướng đi mới. Thiết kế nền móng trên đất yếu cần tính toán kỹ lưỡng. Tính toán nền đất yếu dựa trên mô hình cơ lý học. Phần mềm phân tích nền đất yếu hỗ trợ tính toán. Tiêu chuẩn thiết kế nền móng đảm bảo an toàn công trình. Đánh giá nền đất yếu giúp lựa chọn phương pháp phù hợp. Ứng dụng công nghệ xử lý nền đất yếu hiện đại nâng cao hiệu quả thi công.

II. Nghiên cứu đề tài Phương pháp ổn định toàn khối bằng mô phỏng số

Nghiên cứu sử dụng mô hình mạng lưới lò xo (LSM) để mô phỏng xử lý nền đất yếu. Đây là phương pháp mô phỏng số, tiết kiệm thời gian và chi phí so với thí nghiệm thực tế. Mô hình LSM được sử dụng để đánh giá hiệu quả của trộn xi măng vào đất. Kết quả cho thấy hàm lượng xi măng 13-15% là phù hợp. Phần mềm phân tích nền đất yếu hỗ trợ việc tính toán. Kết quả nghiên cứu cho thấy khả năng ứng dụng cao của mô hình LSM trong xử lý nền đất yếu. Tính toán nền đất yếu chính xác hơn. Giải pháp xử lý nền đất yếu được tối ưu hóa. Đề tài nghiên cứu có tính sáng tạo cao. Sản phẩm khoa học của đề tài bao gồm bài báo khoa học. Ứng dụng công nghệ mô phỏng số trong lĩnh vực xử lý nền đất yếu hứa hẹn nhiều triển vọng. Dữ liệu nghiên cứu nền đất yếu cần được cập nhật liên tục.

2.1. Mô hình mạng lưới lò xo LSM Nguyên lý và ứng dụng trong xử lý nền đất yếu

Mô hình LSM là công cụ mạnh mẽ trong mô phỏng cơ học đất. Mô hình hóa nền đất yếu bằng LSM cho phép đánh giá chính xác hơn. Phát triển LSM cho phép mô phỏng nhiều loại đất. Hệ số đàn hồi của đất được xác định chính xác. Sức chịu tải của đất được tính toán chính xác. Lún nền được dự báo chính xác. LSM giúp tối ưu hóa vật liệu xử lý nền đất yếu. Chi phí xử lý nền đất yếu được giảm thiểu. An toàn công trình trên nền đất yếu được đảm bảo. Mô phỏng số cho phép nghiên cứu nhiều kịch bản khác nhau. Kết quả mô phỏng cung cấp cơ sở khoa học cho thiết kế nền móng. Công nghệ xử lý đất yếu hiện đại kết hợp với mô hình LSM nâng cao hiệu quả. Phân tích nền đất yếu dựa trên LSM cho phép đánh giá toàn diện hơn.

2.2. Kết quả nghiên cứu và ứng dụng thực tiễn

Nghiên cứu đề xuất hàm lượng xi măng tối ưu cho trộn xi măng đất. Kết quả mô phỏng cho thấy hiệu quả của phương pháp. Mô đun đàn hồi hữu hiệu (Ke, Ge) tăng đáng kể. Sức chịu tải của đất được cải thiện. Giảm lún nền đạt được hiệu quả. Ứng dụng thực tiễn của kết quả nghiên cứu trong xây dựng nhà thấp tầng. Đề xuất phương pháp xử lý nền đất yếu phù hợp với điều kiện ĐBSCL. Tiêu chuẩn xử lý nền đất yếu cần được cập nhật. Giải pháp xử lý nền đất yếu mang tính kinh tế cao. Báo cáo kết quả nghiên cứu được công bố trên tạp chí chuyên ngành. Chuyển giao công nghệ đến các đơn vị xây dựng. Đào tạo nguồn nhân lực trong lĩnh vực xử lý nền đất yếu. Phát triển bền vững ĐBSCL được thúc đẩy.

Trích đoạn nội dung tài liệu

MỞ ĐẦU Tổng quan tình hình nghiên cứu thuộc lĩnh vực đề tài ở trong và ngoài nước: Ngoài nước: Vấn đề xử lý nền đất yếu đã xuất hiện từ rất lâu và được nghiên cứu nhiều trên thế giới. Hiện tại đã có nhiều phương pháp được các nhà khoa học đề xuất để xử lý nền đất yếu trong ngành xây dựng và giao thông được công bố trên các tạp chí. Điều đó nói lên tầm quan trọng của nghiên cứu này nhằm giải quyết các vấn đề về dân sinh cũng như phát triển cơ sở hạ tầng không chỉ ở Việt Nam mà còn trên thế giới. Tsytovich và cộng sự (1974) đã đề xuất phương pháp sử dụng cọc cát, giếng cát phổ biến ngày nay.

Cọc cát có chức năng như một giếng cát làm cho nước ở trong đất thoát ra nhanh qua lỗ cát này. Tiến trình cố kết và độ lớn sẽ được làm tăng và xảy ra nhanh hơn do trong quá trình xử lý đất. Ông thép được cắm vào đất làm cho nền tảng được ép chặt lại. Đất được nén chặt thêm bởi quá trình tạo ra lỗ.

Còn nước ở trong đất thì sẽ bị nén cho thoát ra ngoài lỗ khoan được nhồi cát. Thi công kiểu này cũng đơn giản và bằng vật liệu tương đối rẻ tiền từ sạn sỏi hoặc cát thô cho nên có chi phí tương đối thấp thấp hơn đệm cát, các loại móng bê tông, các loại chuyên dùng để xử lý nền đất khác. Phương pháp này chuyên được dùng để gia cố cho phần đất yếu dày hơn 3 mét. Độ rỗng của đất được giảm xuống do đất được nén chặt thêm nên từ đó độ mạnh của nền cọc cát được cải thiện.

Nước trong các lỗ rỗng trong đất thoát ra nhanh làm cho quá trình cố kết của đất nhanh hơn, độ lún được giảm và ổn định hơn. Phương pháp đầm chặt đất bằng đầm rung sâu được đề xuất bởi Moseley và Kirsch (1993), một thanh thép được đưa xuống đến độ sâu quy định và một máy rung tạo ra dao động theo phương ngang và phương thẳng đứng làm cho đất nền được đầm chặt trong khi thanh thép được rút dần lên. Độ sâu và khoảng cách đầm phụ thuộc vào các yếu tố: độ lún toàn phần lớn nhất cho phép, độ lún lệch lớn nhất cho phép; sức chịu tải yêu cầu; sức kháng cắt cần đạt được và mức tăng sức kháng chống hoá lỏng. 1 Luan van Phương pháp trộn vôi và xi măng dưới sâu với cách trộn khô được trình bày trong nghiên cứu của Chida (1982).

Cọc vôi thường được dùng để xử lý, nén chặt các lớp đất yếu như bùn, sét và sét pha ở trạng thái dẻo nhão.Việc sử dụng cọc vôi có những tác dụng sau đầm chặt, đường kính cọc vôi sẽ tăng lên 20% làm cho đất xung quanh nén chặt lại, ngoài ra nó toả ra một nhiệt lượng lớn làm cho nước lỗ rỗng bốc hơi làm giảm độ ẩm và tăng nhanh quá trình nén chặt. Sau khi xử lý bằng cọc vôi nền đất được cải thiện đáng kể: độ ẩm của đất giảm 5 – 8%, lực dính tăng lên khoảng 1. Việc chế tạo cọc đất – xi măng cũng giống như đối với cọc đất – vôi, hàm lượng ximăng có thể từ 7% đến 15% và kết quả cho thấy sức kháng xuyên của đất nền tăng lên từ 4 – 5 lần so với khi chưa gia cố. Phương pháp cọc vôi, xi măng đất Trong phương pháp điện thấm (Eggestad, 1983), 2 điện cực được đưa vào đất và khi nối với nguồn điện 1 chiều thì nước lỗ rỗng từ cực dương tới cực âm.

Do hiệu ứng vật lý này, khu vực gần cực dương có áp lực nước lỗ rỗng thấp sẽ mở rộng dần theo thời gian và độ bền của đất tăng do hệ quả của sự cố kết của đất nền còn độ nén lún của đất thì giảm đi. Trong đất nén lún, điện thấm đẩy nước đến cực âm và ở đó nước được hút đi nên không quay trở lại cực dương. Sự cố kết đất xảy ra tương ứng với thể tích đất được hút đi. Các phương pháp này đã tỏ ra hiệu quả và được áp dụng mạnh mẽ trong thực tế.

Tuy nhiên, vẫn còn nhiều khó khăn tồn tại khi các địa chất khác nhau sẽ có hiệu quả khác nhau với từng phương pháp. Đặc biệt, khi các phương pháp 2 Luan van này nghiên cứu với địa chất nước ngoài nên trong một số điều kiện, việc áp dụng ở Việt Nam tỏ ra kém hiệu quả hơn hẳn. Do đó, khi áp dụng với địa chất đặc thù khu vực đồng bằng sông Cửu Long ở Việt Nam cần kiểm tra điều kiện tương thích của từng phương pháp để lựa chọn ra phương pháp có có thể cho hiệu quả tốt nhất. Trong nước: Ở Việt Nam, vấn đề nền đất yếu ở đồng bằng sông Cửu Long cũng như đồng bằng sông Hồng là một vấn đề đã tồn tại từ lâu, nó gây ra khó khăn trong việc xây dựng nhà ở và cơ sở hạ tầng kỹ thuật, ảnh hưởng nhiều đến cuộc sống người dân cũng như sự phát triển của cả vùng.

Xuất phát từ thực tế đó, việc nghiên cứu xử lý nền đất yếu ở Việt Nam từ lâu đã được quan tâm. Hầu hết các phương pháp được nêu ở trên đều đã được nghiên cứu và ứng dụng ở Việt Nam, tuy nhiên, do sự khác nhau về địa chất nên cần có sự điều chỉnh để đem lại hiệu quả tốt hơn điển hình như phương pháp cọc cát (Nguyễn Đình Đức, 2009, Nguyễn Uyên, 2011), cọc xi măng đất (TCVN 385-2006, TCCS 05:2010/VKHTLVN), bấc thấm đứng (PVD) (TCVN 9355-2012), công nghệ khoan phụt cao áp (Nguyễn Quốc Dũng và cộng sự, 2005)… Trong thực tế, việc lựa chọn phương pháp nào đối với từng loại địa chất công trình là một nhiệm vụ khó khăn về kỹ thuật và kinh tế. Tổng quan về các phương pháp phổ biến trước đây được nghiên cứu, thử nghiệm và đặc điểm kỹ thuật, kinh tế, tính khả thi của một số phương pháp được tổng kết rong Bảng 0. 3 Luan van Gia tải trước Gia tải trước Cột đất xi-măng + Móng cọc Gia tải trước kết hợp bấc bằng cố kết Đệm xi-măng bằng Vấn đề thấm (PVD) chân không được ổn định phương pháp thay đất Độ lún Thấp nếu hệ Thấp do thềm Rất thấp do truyền Rất thấp do Thấp nếu hệ nguyên thủy số an toàn chảy sang bên tải xuống lớp đất truyền tải số an toàn cao thấp hơn cứng hơn bên xuống lớp cao dưới đất cứng hơn bên dưới Kiểm soát Độ lún cố được bằng Vấn đề kỹ Cao Cao Rất thấp Rất thấp kết chiều dày thuật thay đất Kiểm soát Rất thấp do Có thể kiểm được dựa Có thể kiểm Rất thấp do tải tải được soát được vào độ soát được bằng được chuyển chuyển Độ lún dư bằng cách dày lớp đất cách gia tải xuống lớp đất rắn xuống lớp gia tải phụ thay thế và phụ phù hợp hơn bên dưới đất rắn hơn phù hợp quá trình gia bên dưới tải 4 Luan van Rất ổn định Hệ số an đối với riêng Ban đầu hệ số an Hệ số an toàn tăng do chân không, toàn cao, nhưng có Hệ số an toàn tăng do Độ ổn định cường độ đất nhưng hệ số an thể giảm dần theo toàn cao thay lớp đất tăng trong cố toàn thấp hơn thời gian cứng hơn kết khi đặt thêm phụ tải Chi phí bảo Thấp Thấp Thấp Thấp Trung bình dưỡng Vấn đề về Trung bình – tài chính Chi phí thi Cao đối với đường tùy thuộc Trung bình Cao Rất cao công đắp cao vào chiều sâu thay đất Trung bình – Trung bình – Lâu nhất – Từ ngắn tới trung tùy thuộc cần từ 5 – 8 Thời gian tùy thuộc bình – tùy thuộc vào thiết bị tháng cho mỗi Ngắn Các vấn đề thi công vào thời gian vào thiết bị sử sử dụng và đoạn chân liên quan gia tải phụ dụng vật liệu cung không khác cấp Chất lượng Sai khác độ Sai khác độ Sai khác độ lún Sai khác độ Sai khác độ theo thời lún nhỏ lún nhỏ nhỏ lún nhỏ lún nhỏ gian dài Bảng 0.

Một số phương pháp gia xử lý nền đất yếu tại Việt Nam 5 Luan van Thời gian gần đây, một số phương pháp hiện đại khác đã được các nhà khoa học trong nước nghiên cứu và đề xuất để phù hợp với điều kiện đặc thù của khu vực đồng bằng sông Cửu Long. Các nghiên cứu của Nguyễn Minh Đức và cộng sự (2018, 2019, 2020) đã chỉ ra rằng, nền đất điển hình ở đồng bằng sông Cửu Long có thành phần chủ yếu là đất sét hoặc bùn sét. Tác giả đề xuất sử dụng đệm cát kết hợp với sử dụng vải địa kỹ thuật nhằm làm tăng khả năng thoát nước trong đất cũng như tăng cường khả năng cố kết của đất như một giải pháp để gia cố nền đất yếu. Các kết quả chỉ ra rằng phương pháp này đem lại hiệu quả tốt để cải tạo nền đất san lấp bằng sét yếu hoặc bùn nạo vét lòng sông phù hợp với các loại công trình như đường giao thông nông thôn ở đồng bằng sông Cửu Long, tuy nhiên việc áp dụng với công trình xây dựng dân sinh, công trình móng nông còn đem lại nhiều khó khăn, chưa thực sự hiệu quả.

Nguyễn Sỹ Hùng và Hoàng Anh (2020) đã đề xuất phương pháp sử dụng túi đất D-box tương tự như viện nghiên cứu Nhật Bản để gia cố nền đất yếu bằng cát san lấp ở khu vực tỉnh An Giang. Kết quả nghiên cứu chỉ ra rằng Việc sử dụng móng trên bao D - BOX là một giải pháp tốt cho nhà thấp tầng (có quy mô dưới 3 tầng). Sức chịu tải của móng chủ yếu là do sức căng của bao D- BOX truyền vào vật liệu độn bên trong; áp lực truyền xuống lớp đất xấu phía dưới là không đáng kể. Tuy nhiên phương pháp này gặp khó khăn trong việc thi công đại trà khi túi D-BOX là không phổ biến dẫn đến khả năng áp dụng rộng rãi là hạn chế.

Nhà máy đóng giày Cần Thơ Thí nghiệm ở dụng D-box ở An Giang Hình 0. Nghiên cứu sử dụng túi D-Box Trong nghiên cứu của Nguyễn Sỹ Hùng và Vương Hoàng Thạch (2020) đã bàn về các phương pháp gia cố nông nền đất phổ biến ở đồng bằng sông Mekong như phương pháp gia cố bằng cọc cừ tràm, cọc tre; phương pháp gia 6 Luan van cố bằng cọc đá chẻ, cọc bê tông cốt thép, cọc xi măng đất trộn sâu và trộn nông. Theo kết quả của nghiên cứu này, phương pháp trộn đất tại chỗ với phương pháp trộn nông là phương pháp hữu hiệu để nhằm cải thiện các đặc tính kỹ thuật và môi trường đối với lớp đất nền mềm hoặc bị ô nhiễm.