Tổng quan nghiên cứu

Việc khai thác không gian ngầm ngày càng trở nên cấp thiết trong bối cảnh quỹ đất ngày càng hạn hẹp, đặc biệt tại các đô thị lớn như TP. Hồ Chí Minh. Theo ước tính, nhu cầu xây dựng các tầng hầm kỹ thuật, bãi đậu xe ngầm và hệ thống giao thông ngầm tại khu vực này tăng mạnh, mở rộng ra các vùng ven như Cần Giờ. Tuy nhiên, địa chất khu vực Cần Giờ đặc trưng bởi lớp bùn sét yếu hữu cơ dày khoảng 20m, có chứa hàm lượng muối cao, gây ảnh hưởng tiêu cực đến tính ổn định của các công trình hố đào sâu.

Vấn đề nghiên cứu tập trung vào phân tích ổn định của hố đào trong môi trường đất bị nhiễm mặn, đặc biệt khi sử dụng biện pháp gia cố bằng đất trộn xi măng. Các chỉ tiêu vật lý và cơ học của đất trộn xi măng trong điều kiện nhiễm mặn không đạt như thiết kế do phản ứng hóa học giữa muối và xi măng, ảnh hưởng đến cường độ và độ bền của đất gia cố. Mục tiêu cụ thể của nghiên cứu là khảo sát sự thay đổi cường độ đất trộn xi măng với các mức độ mặn khác nhau, thiết lập tương quan giữa các thông số kỹ thuật của đất trộn xi măng, đồng thời mô phỏng chuyển vị ngang của tường vây và hiện tượng bùng đáy hố đào trước và sau khi gia cố.

Phạm vi nghiên cứu tập trung vào vùng đất có độ sâu từ 9m đến 19m tại khu vực Cần Giờ, với hai mức độ mặn tiêu biểu: độ mặn tự nhiên khoảng 4.24% và độ mặn tối đa khoảng 10.8%. Ý nghĩa nghiên cứu thể hiện rõ trong việc cung cấp cơ sở khoa học cho thiết kế và thi công các công trình hố đào sâu tại vùng đất nhiễm mặn, giúp nâng cao độ an toàn, hiệu quả kinh tế và bền vững công trình.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên các lý thuyết và mô hình tính toán ổn định hố đào sâu trong môi trường đất nhiễm mặn, bao gồm:

  • Phương pháp Terzaghi – Peck và cải tiến: Dùng để tính toán khả năng chống trồi đáy hố đào, xem xét tác động của tải trọng, độ sâu tường chắn và hình dạng hố đào.
  • Phương pháp Caquot và Kerisel: Mô hình đường trượt cong ABC để đánh giá nguy cơ trồi đáy hố đào khi độ sâu cắm tường không đủ.
  • Kiểm tra ổn định chống phun trào (cát chảy): Dựa trên áp lực thấm và trọng lượng trong nước của khối đất, đảm bảo hệ số an toàn chống phun trào lớn hơn 1.5.
  • Lý thuyết phản ứng hóa học giữa xi măng và muối trong đất: Phân tích ảnh hưởng của các ion Cl⁻, SO₄²⁻, Mg²⁺ lên sự hình thành các hợp chất kết dính sơ cấp (CSH, CAH) và thứ cấp, từ đó ảnh hưởng đến cường độ đất trộn xi măng.

Các khái niệm chính bao gồm: đất nhiễm mặn, đất trộn xi măng, cường độ nén đơn, chỉ số nén, ứng suất chảy dẻo, phản ứng pozzolanic, và mô phỏng chuyển vị tường vây.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu chính được thu thập từ các mẫu đất lấy tại khu vực Cần Giờ với độ sâu từ 9m đến 19m, gồm hai nhóm mẫu: đất có độ mặn tự nhiên (Sₐ = 4.24%) và đất có độ mặn tăng cường (Sₐ = 10.8%) được tạo ra trong phòng thí nghiệm. Các thí nghiệm cơ lý được thực hiện gồm:

  • Thí nghiệm nén đơn (unconfined compressive strength) để xác định cường độ nén đơn của đất trộn xi măng.
  • Thí nghiệm cắt trực tiếp (direct shear test) để đo sức chống cắt và góc ma sát trong.
  • Thí nghiệm nén cô kết (oedometer consolidation test) để xác định đặc tính nén lún và chỉ số nén.

Cỡ mẫu thí nghiệm khoảng vài chục mẫu, được chọn ngẫu nhiên từ các lớp đất đặc trưng. Phương pháp phân tích bao gồm so sánh các chỉ tiêu cơ lý giữa hai nhóm mẫu, thiết lập các tương quan giữa cường độ, thời gian bảo dưỡng và các chỉ số kỹ thuật khác.

Ngoài ra, phần mềm Plaxis 2D được sử dụng để mô phỏng chuyển vị ngang của tường vây với các bề dày khác nhau (từ 0.8m đến 1.8m), đánh giá hiệu quả gia cố đáy hố đào bằng đất trộn xi măng trong điều kiện đất nhiễm mặn. Thời gian nghiên cứu kéo dài khoảng 12 tháng, bao gồm giai đoạn thu thập mẫu, thí nghiệm, phân tích và mô phỏng.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Ảnh hưởng của độ mặn đến cường độ đất trộn xi măng: Với cùng hàm lượng xi măng 10% và độ ẩm sau trộn 90%, cường độ nén đơn của đất trộn xi măng có độ mặn tự nhiên (Sₐ = 4.24%) cao hơn khoảng 30% so với đất có độ mặn tăng cường (Sₐ = 10.8%). Chỉ số nén C_c, chỉ số nở C_s và ứng suất chảy dẻo σ_y của hai loại đất không thay đổi nhiều, cho thấy độ mặn chủ yếu ảnh hưởng đến cường độ chịu cắt và nén đơn.

  2. Tương quan giữa cường độ và thời gian bảo dưỡng: Cường độ nén đơn và sức chống cắt của đất trộn xi măng tăng theo thời gian bảo dưỡng, tuy nhiên mức tăng của mẫu đất có độ mặn cao thấp hơn đáng kể. Ví dụ, sau 28 ngày bảo dưỡng, cường độ nén đơn của mẫu đất mặn chỉ đạt khoảng 70% so với mẫu đất tự nhiên.

  3. Ảnh hưởng của các ion muối đến cấu trúc xi măng đất: Ion Cl⁻ gây ảnh hưởng lớn nhất đến cường độ đất trộn xi măng trong ngắn hạn và dài hạn, làm giảm sự hình thành các hợp chất CSH và CAH. Ion Mg²⁺ ảnh hưởng nhiều đến cường độ trong thời gian dài, gây hình thành các khoáng MSH có cường độ thấp hơn. Ion SO₄²⁻ có ảnh hưởng nhỏ nhất nhưng gây trương nở thể tích, làm giảm cường độ lâu dài.

  4. Hiệu quả gia cố tường vây theo bề dày tường: Mô phỏng Plaxis 2D cho thấy gia cố đáy hố đào bằng đất trộn xi măng chỉ đạt hiệu quả cao khi bề dày tường vây nhỏ hơn 1m. Với bề dày tường từ 1m trở lên, hiệu quả gia cố giảm rõ rệt, chuyển vị ngang của tường vây không được kiểm soát tốt.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính của sự giảm cường độ đất trộn xi măng trong môi trường nhiễm mặn là do phản ứng hóa học giữa các ion muối và xi măng, làm giảm sự hình thành các hợp chất kết dính quan trọng như CSH và CAH. Kết quả này phù hợp với các nghiên cứu trước đây về ảnh hưởng của ion Cl⁻ và Mg²⁺ lên cường độ đất trộn xi măng.

Việc cường độ tăng theo thời gian bảo dưỡng nhưng với tốc độ chậm hơn ở mẫu đất mặn cho thấy cần có biện pháp bổ sung phụ gia hoặc điều chỉnh thành phần xi măng để cải thiện tính bền vững của đất trộn trong môi trường này.

Mô phỏng chuyển vị tường vây minh họa rõ ràng qua biểu đồ chuyển vị ngang tại các giai đoạn thi công, cho thấy bề dày tường là yếu tố quyết định hiệu quả gia cố. Kết quả này có ý nghĩa thực tiễn quan trọng trong thiết kế tường vây cho các công trình hố đào sâu tại vùng đất nhiễm mặn.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Điều chỉnh hàm lượng và loại xi măng sử dụng: Khuyến nghị sử dụng xi măng có thành phần giảm hàm lượng C3A hoặc bổ sung phụ gia chống ăn mòn để hạn chế ảnh hưởng tiêu cực của ion Cl⁻ và SO₄²⁻, nhằm tăng cường cường độ và độ bền lâu dài của đất trộn xi măng. Thời gian áp dụng: ngay trong giai đoạn thiết kế; Chủ thể thực hiện: nhà thầu và tư vấn thiết kế.

  2. Kiểm soát độ mặn đất trước khi gia cố: Thực hiện xử lý giảm độ mặn đất bằng các biện pháp rửa trôi hoặc bổ sung các chất trung hòa muối trước khi trộn xi măng, nhằm cải thiện tính chất cơ lý của đất gia cố. Thời gian áp dụng: trước thi công; Chủ thể thực hiện: nhà thầu thi công.

  3. Thiết kế bề dày tường vây phù hợp: Ưu tiên thiết kế tường vây có bề dày dưới 1m để đảm bảo hiệu quả gia cố và kiểm soát chuyển vị ngang tốt, tránh lãng phí vật liệu và chi phí. Thời gian áp dụng: trong giai đoạn thiết kế; Chủ thể thực hiện: kỹ sư thiết kế.

  4. Theo dõi và bảo dưỡng công trình sau thi công: Thiết lập hệ thống quan trắc chuyển vị và cường độ đất trộn xi măng trong quá trình bảo dưỡng và khai thác để kịp thời phát hiện và xử lý các hiện tượng suy giảm cường độ do ảnh hưởng của muối. Thời gian áp dụng: trong và sau thi công; Chủ thể thực hiện: chủ đầu tư và đơn vị giám sát.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Kỹ sư thiết kế công trình ngầm và hạ tầng đô thị: Nghiên cứu cung cấp cơ sở khoa học để lựa chọn vật liệu và thiết kế tường vây phù hợp với điều kiện đất nhiễm mặn, giúp nâng cao độ an toàn và hiệu quả công trình.

  2. Nhà thầu thi công và giám sát công trình: Thông tin về ảnh hưởng của độ mặn và biện pháp gia cố đất trộn xi măng giúp tối ưu quy trình thi công, kiểm soát chất lượng và giảm thiểu rủi ro trong thi công hố đào sâu.

  3. Chuyên gia nghiên cứu địa kỹ thuật và vật liệu xây dựng: Cung cấp dữ liệu thực nghiệm và mô hình hóa về ảnh hưởng của muối đến đất trộn xi măng, làm cơ sở cho các nghiên cứu tiếp theo về cải tiến vật liệu và công nghệ gia cố.

  4. Chủ đầu tư và quản lý dự án xây dựng: Hiểu rõ các yếu tố ảnh hưởng đến ổn định công trình hố đào sâu trong môi trường đất nhiễm mặn, từ đó đưa ra quyết định đầu tư hợp lý, đảm bảo tiến độ và an toàn công trình.

Câu hỏi thường gặp

  1. Tại sao độ mặn đất ảnh hưởng đến cường độ đất trộn xi măng?
    Ion muối như Cl⁻, Mg²⁺ và SO₄²⁻ trong đất phản ứng với xi măng, làm giảm sự hình thành các hợp chất kết dính như CSH và CAH, từ đó làm giảm cường độ và độ bền của đất trộn xi măng. Ví dụ, ion Cl⁻ tiêu thụ Ca(OH)₂, ngăn cản quá trình thủy hợp.

  2. Phương pháp gia cố đất trộn xi măng có phù hợp với đất nhiễm mặn không?
    Phương pháp này vẫn được áp dụng rộng rãi nhưng cần điều chỉnh thành phần xi măng và kiểm soát độ mặn đất để đảm bảo hiệu quả. Mô phỏng cho thấy hiệu quả gia cố giảm khi độ mặn tăng cao nếu không có biện pháp bổ sung.

  3. Làm thế nào để kiểm tra ổn định đáy hố đào trong đất nhiễm mặn?
    Có thể sử dụng các phương pháp tính toán như Terzaghi – Peck, Caquot – Kerisel và kiểm tra chống phun trào dựa trên áp lực thấm. Kết hợp mô phỏng phần mềm Plaxis 2D giúp đánh giá chuyển vị và ứng suất trong thực tế.

  4. Bề dày tường vây ảnh hưởng thế nào đến hiệu quả gia cố?
    Nghiên cứu cho thấy tường vây có bề dày dưới 1m mang lại hiệu quả gia cố tốt nhất, kiểm soát chuyển vị ngang hiệu quả. Bề dày lớn hơn làm giảm hiệu quả do phân bố ứng suất không đồng đều và giảm khả năng liên kết đất trộn xi măng.

  5. Có thể áp dụng kết quả nghiên cứu này cho các vùng đất khác không?
    Kết quả có thể tham khảo cho các khu vực có điều kiện địa chất và mức độ nhiễm mặn tương tự như Cần Giờ, giúp các nhà thiết kế và thi công lựa chọn giải pháp gia cố phù hợp.

Kết luận

  • Độ mặn đất ảnh hưởng rõ rệt đến cường độ và tính chất cơ lý của đất trộn xi măng, với ion Cl⁻ gây ảnh hưởng lớn nhất.
  • Cường độ đất trộn xi măng tăng theo thời gian bảo dưỡng nhưng mức độ tăng giảm khi độ mặn cao.
  • Mô phỏng Plaxis 2D cho thấy hiệu quả gia cố đáy hố đào bằng đất trộn xi măng chỉ đạt khi bề dày tường vây dưới 1m.
  • Cần điều chỉnh thành phần xi măng và kiểm soát độ mặn đất để đảm bảo hiệu quả gia cố và độ bền công trình.
  • Khuyến nghị áp dụng các biện pháp xử lý độ mặn, lựa chọn vật liệu phù hợp và theo dõi công trình trong quá trình thi công và khai thác.

Tiếp theo, nghiên cứu sẽ tập trung vào phát triển các loại phụ gia chống ăn mòn và công nghệ trộn khô để nâng cao hiệu quả gia cố trong môi trường đất nhiễm mặn. Các nhà thiết kế và thi công được khuyến khích áp dụng kết quả nghiên cứu để tối ưu hóa thiết kế và đảm bảo an toàn công trình.