Tổng quan nghiên cứu

Trong bối cảnh phát triển đô thị và xây dựng các công trình ngầm tại các khu vực ven biển, vấn đề ổn định kết cấu tường vây trong nền đất nhiễm mặn ngày càng trở nên cấp thiết. Tỉnh Bến Tre, nằm sát biển, chịu ảnh hưởng rõ rệt của sự biến động mực nước biển và độ mặn trong đất, gây ra những thách thức lớn trong thiết kế và thi công các công trình ngầm. Theo ước tính, độ sâu khai thác công trình tường vây D600 tại khu vực nghiên cứu là 28m, với diện tích mặt bằng đào rộng 48,5m và chiều sâu hầm lớn nhất 8,3m. Việc phân tích ổn định tường vây trong điều kiện đất nhiễm mặn có xử lý xi măng là cần thiết để đảm bảo an toàn và hiệu quả thi công.

Mục tiêu nghiên cứu tập trung vào việc phân tích ứng xử chuyển vị tổng hợp của công trình tường vây trong nền đất nhiễm mặn có gia cố xi măng tại tỉnh Bến Tre, sử dụng mô hình Hardening Soil trong phần mềm Plaxis 3D CE V20. Nghiên cứu so sánh hiệu quả gia cố bằng cọc đất xi măng dưới đáy hố đào trong điều kiện đất tự nhiên và đất nhiễm mặn, nhằm đánh giá ảnh hưởng của độ giảm cường độ do nhiễm mặn đến nội lực và chuyển vị của tường vây.

Phạm vi nghiên cứu bao gồm các điều kiện địa chất đặc trưng của vùng ven biển Bến Tre, với dữ liệu thí nghiệm và khảo sát thực tế được tổng hợp từ các báo cáo ngành và nghiên cứu khoa học trong giai đoạn gần đây. Ý nghĩa của nghiên cứu thể hiện qua việc cung cấp cơ sở khoa học cho thiết kế và thi công tường vây trong nền đất nhiễm mặn, góp phần giảm thiểu rủi ro công trình và nâng cao hiệu quả đầu tư xây dựng.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu dựa trên hai lý thuyết chính trong phân tích kết cấu và cơ học đất:

  • Mô hình Hardening Soil (HS): Đây là mô hình cơ học đất tiên tiến, mô phỏng chính xác tính phi tuyến và biến dạng đàn hồi dẻo của đất, đặc biệt phù hợp với đất mềm và đất nhiễm mặn có gia cố xi măng. Mô hình này cho phép mô phỏng sự gia tăng cường độ đất theo ứng suất và biến dạng, giúp đánh giá chính xác chuyển vị và nội lực trong tường vây.

  • Lý thuyết tính toán ổn định tường vây theo Terzaghi và Peck: Các công thức tính toán truyền thống được sử dụng để kiểm tra an toàn chống trượt và ổn định công trình, kết hợp với phân tích số để đánh giá chi tiết hơn về ứng xử của tường vây trong điều kiện thực tế.

Các khái niệm chuyên ngành quan trọng bao gồm:

  • Chuyển vị ngang và mô men uốn: Đánh giá sự biến dạng và ứng suất trong tường vây khi chịu tải trọng đất và nước.

  • Cường độ đất nhiễm mặn: Độ giảm cường độ do ảnh hưởng của muối trong đất, được xác định qua các thí nghiệm nén ba trục và nén một trục.

  • Gia cố đất bằng cọc xi măng: Phương pháp cải thiện tính chất cơ học của đất nền, tăng cường khả năng chịu lực và giảm chuyển vị.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu chính bao gồm:

  • Dữ liệu thí nghiệm cơ lý đất nhiễm mặn và đất gia cố xi măng tại tỉnh Bến Tre, được thu thập qua các khoan khảo sát và thí nghiệm nén ba trục, nén một trục, cũng như phân tích hóa học XRD.

  • Số liệu khảo sát thực tế về đặc tính địa chất, độ mặn và thành phần đất tại khu vực nghiên cứu.

Phương pháp phân tích sử dụng phần mềm Plaxis 3D CE V20 với mô hình Hardening Soil để mô phỏng bài toán đào hố và tường vây. Cỡ mẫu mô hình bao gồm tường vây D600 sâu 28m, mặt bằng đào rộng 48,5m, với hai tầng hầm có độ sâu khai thác 8,3m. Phương pháp chọn mẫu dựa trên các tiêu chuẩn khảo sát địa chất và thí nghiệm cơ lý đất phù hợp với điều kiện thực tế.

Timeline nghiên cứu kéo dài từ tháng 02/2020 đến tháng 01/2021, bao gồm các giai đoạn tổng hợp tài liệu, khảo sát thực địa, thí nghiệm, mô phỏng số và phân tích kết quả.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Giảm cường độ đất do nhiễm mặn: Kết quả thí nghiệm cho thấy cường độ đất gia cố xi măng trong điều kiện đất nhiễm mặn giảm khoảng 40% so với đất tự nhiên. Điều này được thể hiện qua các chỉ số cường độ dính và góc ma sát giảm lần lượt từ 15-22% và 9% so với đất không nhiễm mặn.

  2. Ảnh hưởng đến nội lực tường vây: Mô phỏng cho thấy, mặc dù cường độ đất giảm đáng kể, giá trị mô men uốn và chuyển vị ngang của tường vây trong các trường hợp có và không có ảnh hưởng của nhiễm mặn không thay đổi nhiều, với sự biến đổi mô men ngoài tường vây dưới 5%.

  3. Hiệu quả gia cố bằng cọc xi măng: Việc bố trí cọc đất xi măng dưới đáy hố đào theo dạng lưới giúp hạn chế chuyển vị tường vây hiệu quả, giảm chuyển vị ngang tối đa khoảng 40% so với trường hợp không gia cố, bất kể điều kiện đất nhiễm mặn hay tự nhiên.

  4. Tính ổn định công trình: Phân tích an toàn theo tiêu chuẩn Việt Nam và các lý thuyết truyền thống cho thấy tường vây vẫn đảm bảo ổn định trong điều kiện đất nhiễm mặn, nhờ vào biện pháp gia cố và thiết kế hợp lý.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính của sự giảm cường độ đất là do ảnh hưởng của các ion Mg²⁺, Cl⁻, SO₄²⁻ trong đất nhiễm mặn, làm suy giảm liên kết hạt đất và giảm khả năng chịu lực của đất gia cố xi măng. Tuy nhiên, do thiết kế tường vây và biện pháp gia cố được tối ưu, ảnh hưởng này không làm thay đổi đáng kể nội lực và chuyển vị của tường vây.

So sánh với các nghiên cứu trong và ngoài nước, kết quả phù hợp với các báo cáo về ảnh hưởng của nhiễm mặn đến tính chất cơ học đất và hiệu quả của gia cố xi măng trong điều kiện tương tự. Việc sử dụng mô hình Hardening Soil trong Plaxis 3D CE V20 đã giúp mô phỏng chính xác hơn các đặc tính phi tuyến của đất nhiễm mặn, từ đó đưa ra các đánh giá thực tiễn và khả thi.

Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ so sánh cường độ đất giữa đất tự nhiên và đất nhiễm mặn, bảng tổng hợp nội lực tường vây các trường hợp mô phỏng, và biểu đồ chuyển vị ngang tường vây theo các phương án gia cố.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Tăng cường khảo sát địa chất chi tiết: Thực hiện các thí nghiệm cơ lý đất nhiễm mặn tại hiện trường để xác định chính xác mức độ giảm cường độ, làm cơ sở cho thiết kế tường vây phù hợp. Thời gian thực hiện: trước khi thi công, chủ thể: đơn vị tư vấn địa kỹ thuật.

  2. Áp dụng mô hình Hardening Soil trong thiết kế: Sử dụng phần mềm mô phỏng 3D với mô hình Hardening Soil để đánh giá chính xác ứng xử tường vây trong nền đất nhiễm mặn, giúp tối ưu thiết kế và giảm thiểu rủi ro. Thời gian: trong giai đoạn thiết kế, chủ thể: kỹ sư thiết kế.

  3. Gia cố nền đất bằng cọc xi măng dạng lưới: Bố trí cọc đất xi măng dưới đáy hố đào theo dạng lưới nhằm hạn chế chuyển vị và tăng cường ổn định tường vây, đặc biệt hiệu quả trong điều kiện đất nhiễm mặn. Thời gian: trong thi công, chủ thể: nhà thầu xây dựng.

  4. Theo dõi và kiểm tra chuyển vị trong quá trình thi công: Thiết lập hệ thống quan trắc chuyển vị tường vây và áp lực đất để kịp thời điều chỉnh biện pháp thi công khi có dấu hiệu bất thường. Thời gian: trong và sau thi công, chủ thể: chủ đầu tư và đơn vị giám sát.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Kỹ sư thiết kế công trình ngầm: Nghiên cứu cung cấp cơ sở khoa học và phương pháp mô phỏng hiện đại giúp thiết kế tường vây phù hợp với điều kiện đất nhiễm mặn, nâng cao độ an toàn và hiệu quả công trình.

  2. Nhà thầu thi công xây dựng: Tham khảo các giải pháp gia cố nền đất và biện pháp thi công tối ưu nhằm giảm thiểu rủi ro trong quá trình đào hố và xây dựng tường vây tại vùng đất ven biển.

  3. Chuyên gia địa kỹ thuật: Cung cấp dữ liệu thực nghiệm và phân tích chuyên sâu về ảnh hưởng của nhiễm mặn đến tính chất cơ học đất và hiệu quả gia cố xi măng, phục vụ cho nghiên cứu và ứng dụng thực tế.

  4. Cơ quan quản lý và quy hoạch xây dựng: Hỗ trợ trong việc xây dựng các tiêu chuẩn, quy định về thiết kế và thi công công trình ngầm tại các khu vực đất nhiễm mặn, góp phần phát triển bền vững hạ tầng đô thị ven biển.

Câu hỏi thường gặp

  1. Tại sao đất nhiễm mặn lại làm giảm cường độ đất gia cố xi măng?
    Đất nhiễm mặn chứa các ion như Mg²⁺, Cl⁻, SO₄²⁻ làm phá vỡ liên kết giữa các hạt đất và xi măng, giảm khả năng kết dính và chịu lực của đất gia cố. Ví dụ, cường độ dính giảm khoảng 15-22% so với đất không nhiễm mặn.

  2. Mô hình Hardening Soil có ưu điểm gì trong phân tích tường vây?
    Mô hình này mô phỏng chính xác tính phi tuyến và biến dạng đàn hồi dẻo của đất, đặc biệt phù hợp với đất mềm và đất nhiễm mặn, giúp dự đoán chuyển vị và nội lực tường vây sát thực tế hơn so với các mô hình truyền thống.

  3. Gia cố bằng cọc xi măng dạng lưới có tác dụng như thế nào?
    Cọc xi măng dạng lưới dưới đáy hố đào giúp tăng cường độ cứng nền đất, hạn chế chuyển vị ngang của tường vây, giảm tối đa khoảng 40% chuyển vị so với không gia cố, đảm bảo ổn định công trình.

  4. Ảnh hưởng của nhiễm mặn đến thiết kế tường vây như thế nào?
    Nhiễm mặn làm giảm cường độ đất nền, do đó thiết kế phải tính đến sự giảm này để đảm bảo an toàn, đồng thời áp dụng biện pháp gia cố phù hợp để bù đắp sự suy giảm cường độ.

  5. Làm thế nào để kiểm soát chuyển vị tường vây trong quá trình thi công?
    Thiết lập hệ thống quan trắc chuyển vị và áp lực đất, theo dõi liên tục để phát hiện sớm các dấu hiệu bất thường, từ đó điều chỉnh biện pháp thi công kịp thời, đảm bảo an toàn công trình.

Kết luận

  • Đất nhiễm mặn làm giảm khoảng 40% cường độ đất gia cố xi măng, ảnh hưởng đến tính chất cơ học nền đất.
  • Mô hình Hardening Soil trong Plaxis 3D CE V20 là công cụ hiệu quả để phân tích ổn định tường vây trong điều kiện đất nhiễm mặn.
  • Gia cố bằng cọc xi măng dạng lưới dưới đáy hố đào giúp hạn chế chuyển vị tường vây, đảm bảo an toàn công trình.
  • Ảnh hưởng của nhiễm mặn đến nội lực tường vây là không đáng kể khi áp dụng biện pháp gia cố hợp lý.
  • Nghiên cứu cung cấp cơ sở khoa học và giải pháp thực tiễn cho thiết kế và thi công công trình ngầm tại vùng đất ven biển nhiễm mặn.

Next steps: Tiếp tục khảo sát thực địa chi tiết, mở rộng mô hình phân tích cho các điều kiện địa chất khác nhau và triển khai ứng dụng thực tế tại các dự án xây dựng công trình ngầm ven biển.

Call to action: Các đơn vị thiết kế, thi công và quản lý công trình ven biển nên áp dụng kết quả nghiên cứu để nâng cao hiệu quả và an toàn công trình trong điều kiện đất nhiễm mặn.