Tổng quan nghiên cứu

Dự án đường Tân Sơn Nhất – Bình Lợi – Vành đai ngoài tại thành phố Hồ Chí Minh có tổng chiều dài khoảng 13,657 km, trong đó đoạn từ lý trình 3+400 đến 10+580 là khu vực nền đất yếu với chiều dày đất yếu từ 2 đến 38 m. Nền đất yếu chủ yếu là đất sét dẻo, bùn sét có độ ẩm cao, tính nén lún lớn và hệ số cố kết thấp, gây ra nhiều thách thức trong thi công và đảm bảo ổn định công trình. Việc xử lý nền đất yếu bằng công nghệ cọc đất gia cố xi măng (Cement Deep Mixing - CDM) được lựa chọn nhằm tăng cường độ chịu tải, giảm lún và đảm bảo an toàn cho kết cấu đường đầu cầu Gò Dưa.

Mục tiêu nghiên cứu là đánh giá nguyên nhân sự cố của cọc đất gia cố xi măng tại công trình này và đề xuất các giải pháp khắc phục nhằm nâng cao chất lượng và hiệu quả thi công. Phạm vi nghiên cứu tập trung vào khu vực cầu Gò Dưa, với thời gian nghiên cứu giai đoạn thi công và bảo dưỡng cọc xi măng sâu trong khoảng 7 đến 28 ngày. Nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc ứng dụng rộng rãi công nghệ xử lý đất yếu bằng cọc xi măng tại các vùng có điều kiện địa chất tương tự ở thành phố Hồ Chí Minh, góp phần phát triển hạ tầng giao thông bền vững.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên các lý thuyết và mô hình sau:

  • Công nghệ cọc đất gia cố xi măng (CDM): Là phương pháp trộn xi măng với đất tại chỗ dưới sâu, tạo thành cọc xi măng đất có khả năng tăng cường độ chịu tải và giảm biến dạng nền đất yếu. Quá trình hình thành cường độ của cọc trải qua các giai đoạn ninh kết và rắn chắc, dựa trên phản ứng thủy hóa của xi măng với đất.

  • Phương pháp tính toán sức chịu tải và độ lún nền đất gia cố: Áp dụng các tiêu chuẩn và quy trình tính toán từ Trung Quốc (DBJ08-40-94), Châu Âu (CT97-0351), Nhật Bản (Guideline for Design and Quality Control of Soil Improvement, 2004) và Việt Nam (TCXD 9403:2012). Các công thức tính toán bao gồm sức chịu tải cho phép của cọc và khối nền gia cố, độ lún tổng thể được chia thành độ lún của khối cọc và độ lún của đất nền chưa gia cố dưới mũi cọc.

  • Khái niệm chính: Tỷ diện thay thế của cọc, mô đun đàn hồi của cọc và đất nền, hệ số chiết giảm cường độ, sức kháng cắt không thoát nước, và các chỉ số cơ lý của đất như trị số SPT, hệ số rỗng, độ ẩm.

Phương pháp nghiên cứu

  • Nguồn dữ liệu: Dữ liệu khảo sát địa chất toàn tuyến, kết quả thí nghiệm nén mẫu đất gia cố xi măng tại phòng thí nghiệm và hiện trường, số liệu khoan lấy lõi cọc, kết quả thí nghiệm nén tĩnh cọc đơn, thông số thi công thực tế tại công trình cầu Gò Dưa.

  • Phương pháp phân tích: Phân tích các chỉ tiêu cơ lý đất nền và đất gia cố, đánh giá cường độ kháng nén cực hạn của cọc xi măng đất, so sánh kết quả thí nghiệm với các tiêu chuẩn thiết kế. Phân tích nguyên nhân sự cố dựa trên các yếu tố công nghệ thi công, thiết bị, điều kiện địa chất và kết quả kiểm tra chất lượng cọc.

  • Timeline nghiên cứu: Nghiên cứu lý thuyết và khảo sát địa chất trong giai đoạn đầu; thi công và thử nghiệm cọc xi măng trong khoảng 7-28 ngày bảo dưỡng; phân tích kết quả và đề xuất giải pháp khắc phục trong giai đoạn cuối.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Nguyên nhân sự cố cọc đất gia cố xi măng tại cầu Gò Dưa: Kết quả thí nghiệm nén mẫu cọc tại hiện trường cho thấy một số cọc không đạt yêu cầu cường độ kháng nén cực hạn, với cường độ thấp hơn 0,5 MPa so với thiết kế. Nguyên nhân chủ yếu do hàm lượng xi măng không đồng đều, kỹ thuật thi công trộn không đảm bảo, và ảnh hưởng của đất nền có nhiều túi bùn hữu cơ làm chậm quá trình ninh kết.

  2. Ảnh hưởng của hàm lượng xi măng đến cường độ cọc: Thí nghiệm mẫu trộn thử với hàm lượng xi măng 160 kg/m3, 200 kg/m3 và 250 kg/m3 cho thấy cường độ kháng nén tăng theo hàm lượng xi măng, trong đó hàm lượng 220 kg/m3 được đề xuất là tối ưu cho thi công đại trà, cân bằng giữa chi phí và chất lượng.

  3. Hiệu quả của phương pháp trộn xi măng sâu (DCM): Phương pháp này giúp giảm thiểu ảnh hưởng đến các kết cấu hiện hữu và tuyến đường sắt kế cận, đồng thời rút ngắn thời gian thi công so với các phương pháp gia tải trước truyền thống. Thời gian bảo dưỡng cọc từ 7 đến 28 ngày đủ để đạt cường độ thiết kế.

  4. Kiểm soát chất lượng thi công là yếu tố quyết định: Các phương pháp kiểm tra chất lượng như khoan lấy lõi, thí nghiệm nén mẫu, và thí nghiệm nén tĩnh cọc đơn tại hiện trường là cần thiết để phát hiện kịp thời các sự cố và điều chỉnh quy trình thi công.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân sự cố cọc đất gia cố xi măng chủ yếu liên quan đến kỹ thuật thi công và điều kiện địa chất phức tạp, đặc biệt là đất có hàm lượng hữu cơ cao và túi bùn gây ảnh hưởng đến quá trình ninh kết xi măng. So với các nghiên cứu trong nước và quốc tế, kết quả này phù hợp với thực tế các công trình xử lý nền đất yếu bằng CDM, nơi mà kiểm soát chất lượng thi công và lựa chọn hàm lượng xi măng phù hợp là yếu tố then chốt.

Việc lựa chọn hàm lượng xi măng 220 kg/m3 dựa trên cân bằng giữa chi phí và hiệu quả gia cố cũng tương đồng với các dự án tương tự tại Nhật Bản và Trung Quốc. Phương pháp trộn xi măng sâu được đánh giá cao về khả năng thi công nhanh, giảm thiểu ảnh hưởng đến kết cấu lân cận và tiết kiệm vật liệu đắp so với phương pháp gia tải trước.

Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ so sánh cường độ kháng nén mẫu trộn thử với các hàm lượng xi măng khác nhau, bảng tổng hợp kết quả thí nghiệm nén tĩnh cọc đơn và sơ đồ phân bố cường độ cọc tại hiện trường để minh họa sự phân bố không đồng đều và các vị trí xảy ra sự cố.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Tăng cường kiểm soát chất lượng thi công: Áp dụng nghiêm ngặt các quy trình kiểm tra chất lượng như khoan lấy lõi, thí nghiệm nén mẫu và nén tĩnh cọc đơn tại hiện trường để phát hiện sớm các sự cố. Chủ thể thực hiện: Ban quản lý dự án và nhà thầu thi công. Thời gian: liên tục trong suốt quá trình thi công.

  2. Điều chỉnh hàm lượng xi măng phù hợp: Sử dụng hàm lượng xi măng khoảng 220 kg/m3 cho thi công đại trà nhằm đảm bảo cường độ cọc và tiết kiệm chi phí. Chủ thể thực hiện: Nhà thiết kế và nhà thầu thi công. Thời gian: trước và trong giai đoạn thi công thử nghiệm.

  3. Đào tạo và nâng cao năng lực kỹ thuật cho công nhân thi công: Tổ chức các khóa đào tạo về kỹ thuật trộn xi măng sâu, vận hành thiết bị và quy trình thi công để giảm thiểu sai sót kỹ thuật. Chủ thể thực hiện: Ban quản lý dự án phối hợp với các chuyên gia kỹ thuật. Thời gian: trước khi bắt đầu thi công.

  4. Áp dụng công nghệ giám sát điện tử trong thi công: Sử dụng hệ thống theo dõi thông tin điện tử để giám sát quá trình khoan, trộn và phun xi măng nhằm đảm bảo đồng nhất và chính xác. Chủ thể thực hiện: Nhà thầu thi công và đơn vị tư vấn giám sát. Thời gian: trong suốt quá trình thi công.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Kỹ sư và nhà quản lý dự án xây dựng hạ tầng giao thông: Nắm bắt các phương pháp xử lý nền đất yếu bằng cọc xi măng, đánh giá nguyên nhân sự cố và giải pháp khắc phục để áp dụng hiệu quả trong các dự án tương tự.

  2. Chuyên gia địa kỹ thuật và tư vấn thiết kế: Tham khảo các phương pháp tính toán sức chịu tải, độ lún nền đất gia cố theo các tiêu chuẩn quốc tế và Việt Nam, từ đó hoàn thiện thiết kế phù hợp với điều kiện địa chất thực tế.

  3. Nhà thầu thi công công trình nền móng: Áp dụng các kỹ thuật thi công trộn xi măng sâu, kiểm soát chất lượng thi công và xử lý sự cố nhằm nâng cao hiệu quả và chất lượng công trình.

  4. Các nhà nghiên cứu và sinh viên chuyên ngành xây dựng đường ô tô và cầu: Tìm hiểu về công nghệ cọc đất gia cố xi măng, các phương pháp thí nghiệm và phân tích kết quả thực nghiệm để phát triển nghiên cứu sâu hơn trong lĩnh vực xử lý nền đất yếu.

Câu hỏi thường gặp

  1. Cọc đất gia cố xi măng là gì và ứng dụng ra sao?
    Cọc đất gia cố xi măng là hỗn hợp đất nguyên trạng trộn với xi măng tại chỗ tạo thành cọc có khả năng tăng cường độ và giảm biến dạng nền đất yếu. Ứng dụng chủ yếu trong xử lý nền đất yếu cho các công trình giao thông, nhà cao tầng và hạ tầng đô thị.

  2. Phương pháp trộn xi măng sâu (DCM) có ưu điểm gì so với các phương pháp khác?
    Phương pháp DCM giảm thiểu ảnh hưởng đến kết cấu hiện hữu, thi công nhanh, sử dụng ít vật liệu đắp, không cần bệ phản áp và có thể thi công cạnh các công trình nhạy cảm như đường ống nước và đường sắt.

  3. Nguyên nhân chính gây ra sự cố cọc đất gia cố xi măng tại cầu Gò Dưa là gì?
    Nguyên nhân chủ yếu là do kỹ thuật thi công không đồng đều, hàm lượng xi măng không ổn định và ảnh hưởng của đất nền có nhiều túi bùn hữu cơ làm chậm quá trình ninh kết xi măng.

  4. Làm thế nào để kiểm soát chất lượng thi công cọc đất xi măng?
    Kiểm soát bằng các phương pháp khoan lấy lõi, thí nghiệm nén mẫu tại phòng thí nghiệm, thí nghiệm nén tĩnh cọc đơn tại hiện trường và giám sát điện tử quá trình thi công để đảm bảo đồng nhất và đạt yêu cầu thiết kế.

  5. Hàm lượng xi măng tối ưu cho thi công cọc đất gia cố là bao nhiêu?
    Theo nghiên cứu, hàm lượng xi măng khoảng 220 kg/m3 là tối ưu, vừa đảm bảo cường độ cọc đạt yêu cầu, vừa tiết kiệm chi phí và vật liệu thi công.

Kết luận

  • Đã xác định được nguyên nhân chính gây sự cố cọc đất gia cố xi măng tại cầu Gò Dưa là do kỹ thuật thi công và điều kiện địa chất phức tạp.
  • Phương pháp trộn xi măng sâu (DCM) được đánh giá là giải pháp hiệu quả, giảm thiểu ảnh hưởng đến kết cấu hiện hữu và rút ngắn thời gian thi công.
  • Hàm lượng xi măng 220 kg/m3 được đề xuất cho thi công đại trà nhằm cân bằng giữa chi phí và chất lượng.
  • Kiểm soát chất lượng thi công và đào tạo kỹ thuật là yếu tố then chốt để nâng cao hiệu quả công trình.
  • Đề xuất áp dụng hệ thống giám sát điện tử và các giải pháp kỹ thuật nhằm khắc phục sự cố và nâng cao chất lượng cọc đất gia cố xi măng.

Next steps: Triển khai áp dụng các giải pháp đề xuất trong các dự án xử lý nền đất yếu tiếp theo tại thành phố Hồ Chí Minh và các vùng có điều kiện địa chất tương tự. Khuyến khích nghiên cứu mở rộng về công nghệ và vật liệu gia cố mới nhằm nâng cao hiệu quả và giảm chi phí thi công.

Call to action: Các nhà quản lý dự án, kỹ sư thiết kế và nhà thầu thi công nên tham khảo và áp dụng các kết quả nghiên cứu này để đảm bảo chất lượng và an toàn công trình trong xử lý nền đất yếu bằng cọc đất gia cố xi măng.