Tổng quan nghiên cứu

Dự án đường cao tốc Thành phố Hồ Chí Minh – Long Thành – Dầu Giây là một công trình trọng điểm trong hệ thống giao thông quốc gia, có tổng chiều dài khoảng 51 km, đi qua các khu vực Quận 2, Quận 9 (TP. Hồ Chí Minh) và huyện Long Thành, Nhơn Trạch (tỉnh Đồng Nai). Khu vực này có đặc điểm địa chất phức tạp với nền đất yếu, chủ yếu là các lớp đất sét béo, bụi dẻo chứa hữu cơ, có độ ẩm cao và sức chịu tải thấp, gây ra nhiều thách thức trong thi công và khai thác công trình. Theo khảo sát, các lớp đất yếu có độ sâu từ 1 đến hơn 20 m với giá trị N-SPT dao động từ 0 đến 34 búa, cho thấy nền đất rất yếu và dễ bị lún lớn.

Vấn đề nghiên cứu tập trung vào phương pháp cố kết hút chân không nhằm xử lý nền đất yếu, giúp tăng sức chịu tải, giảm độ lún và rút ngắn thời gian thi công. Mục tiêu cụ thể là nghiên cứu lý thuyết cố kết, nguyên lý tính toán, quy trình công nghệ và đánh giá hiệu quả thực tế của phương pháp này tại gói thầu số 3 (Km14+100 – Km23+900) của dự án. Phạm vi nghiên cứu bao gồm điều kiện địa chất, đặc điểm khai thác, các biện pháp xử lý đất yếu truyền thống và hiện đại, cùng với phân tích kết quả quan trắc thực địa.

Ý nghĩa của nghiên cứu thể hiện rõ qua việc cung cấp giải pháp kỹ thuật tiên tiến, giúp các nhà đầu tư và tư vấn thiết kế ước lượng chính xác độ lún nền, kiểm soát chi phí và tiến độ thi công, đồng thời góp phần nâng cao chất lượng và độ bền vững của công trình giao thông trên nền đất yếu tại khu vực kinh tế trọng điểm phía Nam.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên các lý thuyết cơ bản về cố kết đất, trong đó nổi bật là:

  • Lý thuyết cố kết thấm một hướng của Terzaghi: Mô hình này giả định lớp đất đồng chất, bão hòa nước, nước thoát ra theo một hướng, với các giả thiết về tính không nén được của hạt đất và nước, cùng hệ số thấm và hệ số ép co không đổi trong quá trình cố kết. Phương trình vi phân cố kết được giải bằng chuỗi Fourier, xác định thời gian và mức độ cố kết dựa trên hệ số cố kết ( C_v ).

  • Quá trình cố kết sơ cấp và thứ cấp: Cố kết sơ cấp là quá trình nước trong lỗ rỗng thoát ra ngoài làm giảm thể tích lỗ rỗng, tăng ứng suất hiệu quả; cố kết thứ cấp là sự tái sắp xếp các hạt đất sau khi nước đã thoát hết.

  • Nguyên lý cố kết hút chân không: Phương pháp này giảm áp lực nước lỗ rỗng bằng cách tạo áp suất chân không dưới màng kín, tăng ứng suất hiệu quả mà không làm tăng ứng suất tổng, từ đó đẩy nhanh quá trình thoát nước và cố kết đất nền.

Các khái niệm chính bao gồm: hệ số cố kết ( C_v ), áp lực nước lỗ rỗng dư, ứng suất hiệu quả, hệ số rỗng, và các biện pháp xử lý đất yếu như gia tải trước, bấc thấm, giếng cát, cọc xi măng đất, cọc vật liệu rời.

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu sử dụng số liệu thực địa từ dự án đường cao tốc Thành phố Hồ Chí Minh – Long Thành – Dầu Giây, đặc biệt tại gói thầu số 3 (Km14+100 – Km23+900). Cỡ mẫu khảo sát địa chất gồm nhiều hố khoan với độ sâu từ 1 đến hơn 20 m, lấy mẫu đất để phân tích tính chất cơ lý như độ ẩm, giới hạn dẻo, giới hạn chảy, giá trị N-SPT.

Phương pháp phân tích bao gồm:

  • Phân tích đặc điểm địa chất, tính chất cơ lý đất nền trước và sau xử lý.
  • Áp dụng lý thuyết cố kết Terzaghi để tính toán độ lún và thời gian cố kết.
  • Đánh giá hiệu quả phương pháp cố kết hút chân không qua kết quả quan trắc áp lực nước lỗ rỗng, độ lún thực tế và so sánh với các biện pháp truyền thống.
  • Sử dụng các phần mềm chuyên dụng và toán đồ để dự báo độ lún, kiểm tra ổn định nền đất.

Timeline nghiên cứu kéo dài trong suốt quá trình thi công và quan trắc thực địa, từ khảo sát ban đầu, thi công xử lý nền, đến theo dõi kết quả cố kết và ổn định nền đất.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Hiệu quả giảm thời gian cố kết: Phương pháp cố kết hút chân không đã rút ngắn thời gian cố kết từ khoảng 12 tháng xuống còn khoảng 4-6 tháng, tương đương giảm 50-60% so với các biện pháp gia tải trước truyền thống. Kết quả quan trắc áp lực nước lỗ rỗng cho thấy áp lực giảm nhanh chóng, đạt gần 90% tiêu tán sau 3 tháng thi công.

  2. Tăng sức chịu tải nền đất: Sau xử lý, sức kháng cắt của đất nền tăng trung bình từ 20 kPa lên 50 kPa, tương đương tăng hơn 150%. Độ rỗng giảm từ 1.2 xuống còn 0.8, giúp cải thiện độ chặt và giảm biến dạng.

  3. Giảm độ lún tổng thể: Độ lún cuối cùng của nền đất sau xử lý bằng hút chân không giảm khoảng 30% so với nền đất chưa xử lý, từ mức lún dự kiến 40 cm xuống còn khoảng 28 cm, đảm bảo yêu cầu kỹ thuật và an toàn công trình.

  4. So sánh chi phí và tiến độ: Chi phí thi công phương pháp hút chân không thấp hơn khoảng 15-20% so với phương pháp bấc thấm kết hợp gia tải trước, đồng thời rút ngắn tiến độ thi công từ 6 tháng xuống còn 3-4 tháng, góp phần tiết kiệm chi phí quản lý và vận hành dự án.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính của hiệu quả vượt trội là do áp suất chân không tạo ra sự chênh lệch áp suất lớn, thúc đẩy dòng thấm cưỡng bức nước trong đất ra ngoài nhanh hơn so với quá trình cố kết tự nhiên hoặc gia tải trước đơn thuần. Kết quả này phù hợp với các nghiên cứu quốc tế về công nghệ Menard Vacuum Consolidation (MVC) và các ứng dụng tại Nhật Bản, Nga.

So với các biện pháp truyền thống như đắp nền theo giai đoạn, bệ phản áp hay gia tải tạm thời, phương pháp hút chân không không chỉ giảm thời gian cố kết mà còn giảm thiểu ảnh hưởng đến môi trường xung quanh do không cần đắp vật liệu lớn, hạn chế diện tích thi công và ô nhiễm.

Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ áp lực nước lỗ rỗng theo thời gian, bảng so sánh các chỉ số cơ lý đất trước và sau xử lý, cùng đồ thị độ lún thực tế và dự báo, giúp minh họa rõ ràng hiệu quả của phương pháp.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Áp dụng rộng rãi phương pháp cố kết hút chân không cho các dự án xây dựng trên nền đất yếu tại khu vực đồng bằng sông Cửu Long và Đông Nam Bộ, nhằm rút ngắn tiến độ thi công và giảm chi phí đầu tư.

  2. Tăng cường công tác khảo sát địa chất chi tiết trước khi thi công để xác định chính xác đặc điểm đất nền, từ đó thiết kế hệ thống hút chân không và bấc thấm phù hợp, đảm bảo hiệu quả xử lý.

  3. Đào tạo và nâng cao năng lực kỹ thuật cho đội ngũ thi công và quản lý dự án, nhằm vận hành thiết bị hút chân không hiệu quả, kiểm soát áp suất và tiến độ thi công theo đúng quy trình.

  4. Kết hợp phương pháp hút chân không với các biện pháp gia cố bổ sung như cọc xi măng đất hoặc cọc vật liệu rời tại các khu vực có nền đất rất yếu hoặc chịu tải trọng lớn, nhằm đảm bảo ổn định lâu dài cho công trình.

  5. Xây dựng hệ thống quan trắc tự động và liên tục để theo dõi áp lực nước lỗ rỗng, độ lún và ổn định nền đất trong suốt quá trình thi công và khai thác, giúp điều chỉnh kịp thời các biện pháp xử lý.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Các nhà đầu tư và chủ dự án giao thông: Giúp đánh giá chính xác chi phí, tiến độ và hiệu quả kỹ thuật của các biện pháp xử lý nền đất yếu, từ đó đưa ra quyết định đầu tư hợp lý.

  2. Kỹ sư thiết kế và tư vấn xây dựng: Cung cấp cơ sở lý thuyết và thực tiễn về phương pháp cố kết hút chân không, hỗ trợ thiết kế nền móng và lựa chọn giải pháp xử lý đất yếu phù hợp.

  3. Đội ngũ thi công và quản lý dự án: Hướng dẫn quy trình thi công, vận hành thiết bị và kiểm soát chất lượng công trình trong quá trình xử lý nền đất yếu bằng công nghệ hút chân không.

  4. Các nhà nghiên cứu và sinh viên ngành kỹ thuật hạ tầng đô thị, cơ học đất: Là tài liệu tham khảo chuyên sâu về lý thuyết cố kết, các biện pháp xử lý đất yếu và ứng dụng công nghệ mới trong xây dựng hạ tầng.

Câu hỏi thường gặp

  1. Phương pháp cố kết hút chân không là gì?
    Phương pháp này sử dụng màng kín phủ bề mặt đất yếu và bơm hút chân không để giảm áp lực nước lỗ rỗng, tăng ứng suất hiệu quả trong đất mà không làm tăng ứng suất tổng, từ đó đẩy nhanh quá trình cố kết và giảm thời gian lún.

  2. Ưu điểm của cố kết hút chân không so với các biện pháp truyền thống?
    Phương pháp này rút ngắn thời gian cố kết khoảng 50-60%, giảm chi phí vật liệu đắp, hạn chế ảnh hưởng môi trường và tăng độ ổn định nền đất hiệu quả hơn so với gia tải trước hay bấc thấm đơn thuần.

  3. Phạm vi áp dụng của phương pháp này?
    Thích hợp cho các khu vực có nền đất yếu dày từ 5 đến 15 m, đặc biệt là đất sét béo, bụi dẻo chứa hữu cơ, nơi có mực nước ngầm cao và yêu cầu tiến độ thi công nhanh.

  4. Có những thiết bị nào cần thiết cho thi công cố kết hút chân không?
    Bao gồm màng phủ kín khí, hệ thống bơm hút chân không, mạng lưới bấc thấm đứng và ngang, bể tách pha, cùng các thiết bị quan trắc áp lực nước lỗ rỗng và độ lún nền.

  5. Làm thế nào để kiểm soát hiệu quả quá trình cố kết hút chân không?
    Thông qua hệ thống quan trắc áp lực nước lỗ rỗng dư, độ lún nền và ổn định nền đất liên tục trong suốt quá trình thi công, kết hợp với phân tích số liệu để điều chỉnh áp suất hút và tiến độ thi công phù hợp.

Kết luận

  • Phương pháp cố kết hút chân không là giải pháp kỹ thuật hiệu quả, giúp xử lý nền đất yếu tại dự án đường cao tốc TP.HCM – Long Thành – Dầu Giây, rút ngắn thời gian cố kết từ 12 tháng xuống còn khoảng 4-6 tháng.
  • Nền đất sau xử lý có sức chịu tải tăng hơn 150%, độ lún giảm khoảng 30%, đảm bảo yêu cầu kỹ thuật và an toàn công trình.
  • Chi phí thi công và tiến độ được cải thiện đáng kể so với các biện pháp truyền thống như gia tải trước hay bấc thấm đơn thuần.
  • Nghiên cứu cung cấp cơ sở lý thuyết và thực tiễn cho việc áp dụng rộng rãi công nghệ hút chân không trong xử lý nền đất yếu tại các công trình hạ tầng giao thông.
  • Đề xuất tiếp tục phát triển hệ thống quan trắc tự động và kết hợp các biện pháp gia cố bổ sung để nâng cao hiệu quả và độ bền vững của nền đất xử lý.

Hành động tiếp theo: Khuyến khích các nhà quản lý dự án và kỹ sư thiết kế áp dụng phương pháp cố kết hút chân không trong các dự án xây dựng trên nền đất yếu, đồng thời đầu tư nghiên cứu mở rộng ứng dụng và cải tiến công nghệ để đáp ứng yêu cầu phát triển hạ tầng hiện đại.