Tổng quan nghiên cứu

Đồng bằng sông Cửu Long (ĐBSCL) là vùng đồng bằng lớn và phì nhiêu nhất Đông Nam Á, đóng vai trò quan trọng trong sản xuất lương thực và phát triển kinh tế của Việt Nam. Tuy nhiên, đặc điểm địa chất của khu vực này rất phức tạp với nhiều lớp đất yếu có chiều dày lớn, gây khó khăn trong xây dựng các công trình giao thông, đặc biệt là nền đường ô tô. Tại thị xã Bạc Liêu, nền đất yếu chủ yếu là bùn, sét với chiều sâu từ 10 đến 30 mét, có tính nén lún lớn và khả năng chịu tải thấp (khoảng 0,5 – 1,0 daN/cm²). Việc xử lý nền đất yếu là yêu cầu cấp thiết để đảm bảo độ ổn định và tuổi thọ công trình.

Mục tiêu nghiên cứu tập trung vào việc khảo sát và đánh giá khả năng ứng dụng phương pháp xử lý nền đất yếu bằng cọc đá tại đoạn tránh Quốc lộ 1A qua thị xã Bạc Liêu, với chiều dài tuyến khoảng 4.360 m. Nghiên cứu nhằm so sánh hiệu quả kỹ thuật và kinh tế giữa phương pháp cọc đá và các phương pháp truyền thống như giếng cát, bấc thấm. Phạm vi nghiên cứu dựa trên số liệu địa chất thực tế từ các lỗ khoan khảo sát tại lý trình Km0+175 đến Km0+975 và Km1+213 đến Km1+643, cùng các tiêu chuẩn kỹ thuật hiện hành.

Ý nghĩa của nghiên cứu thể hiện qua việc đề xuất giải pháp xử lý nền đất yếu phù hợp, góp phần nâng cao chất lượng công trình giao thông, giảm thiểu chi phí bảo trì và tăng tuổi thọ công trình. Kết quả nghiên cứu cũng hỗ trợ các nhà thiết kế và thi công trong việc lựa chọn phương pháp xử lý nền tối ưu, phù hợp với điều kiện địa chất đặc thù của vùng ĐBSCL.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu dựa trên các lý thuyết và mô hình tính toán nền đường đắp trên đất yếu, bao gồm:

  • Lý thuyết cố kết đất: Phân tích quá trình cố kết một chiều và hai chiều theo phương trình vi phân của Terzaghi và Rendulic, xác định độ lún tức thời, lún sơ cấp và lún thứ cấp của nền đất yếu. Các chỉ số nén (Cc), nén thể tích (mv), và hệ số cố kết (Cv, Ch) được sử dụng để mô phỏng quá trình thoát nước và biến dạng đất theo thời gian.

  • Mô hình ổn định nền đường: Áp dụng phương pháp phân mảnh cổ điển và phương pháp Bishop để tính toán hệ số ổn định chống trượt tròn và lún trồi, đảm bảo hệ số an toàn tối thiểu (Kmin) từ 1,10 đến 1,40 theo tiêu chuẩn thiết kế 22TCN 262-2000.

  • Khái niệm và tính toán cọc đá: Cọc đá được xem là giải pháp gia cố nền đất yếu với ưu điểm thoát nước nhanh nhờ lỗ rỗng lớn giữa các viên đá. Phương pháp tính toán độ lún và cố kết nền xử lý bằng cọc đá dựa trên tiêu chuẩn thiết kế và phương pháp của Priebe (1976, 1995).

Các khái niệm chính bao gồm: đất yếu (đất sét mềm, bùn, than bùn), độ lún cố kết, hệ số ổn định nền đường, phương pháp gia tải nén trước, và các phương pháp xử lý nền đất yếu phổ biến như giếng cát, bấc thấm, cọc cát, đệm cát.

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu sử dụng số liệu khảo sát địa chất thực tế từ công trình đầu tư xây dựng Quốc lộ 1A đoạn tránh thị xã Bạc Liêu, với 46 lỗ khoan sâu từ 10 đến 50 mét, thu thập các chỉ tiêu cơ lý như lực dính, góc ma sát trong, hệ số rỗng, dung trọng tự nhiên và giá trị SPT. Dữ liệu khí tượng thủy văn cũng được tổng hợp từ các trạm quan trắc lân cận như Càng Long và Sóc Trăng.

Phương pháp phân tích bao gồm:

  • Phân tích lý thuyết: Tổng hợp và áp dụng các tiêu chuẩn thiết kế nền đường đắp trên đất yếu, tính toán độ lún và ổn định nền theo các mô hình đã nêu.

  • Mô phỏng bằng phần mềm Plaxis 8.5: Hỗ trợ tính toán ứng suất, biến dạng và đánh giá hiệu quả các phương pháp xử lý nền đất yếu, đặc biệt là so sánh giữa phương pháp giếng cát và cọc đá.

  • So sánh kinh tế kỹ thuật: Đánh giá chi phí thi công, thời gian thi công và hiệu quả kỹ thuật của các phương pháp xử lý nền đất yếu.

Thời gian nghiên cứu kéo dài trong khoảng 2011-2014, tập trung vào phân tích số liệu thực tế và mô phỏng kỹ thuật cho đoạn tuyến có chiều dài 4.360 m tại thị xã Bạc Liêu.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Đặc điểm địa chất nền đất yếu tại thị xã Bạc Liêu: Đất yếu chủ yếu là bùn sét màu xám xanh, xám nâu với chiều dày trung bình khoảng 15 m, lực dính c thấp (0,057 daN/cm²), góc ma sát trong φ khoảng 30°48’, hệ số rỗng tự nhiên 1,40 và giá trị SPT từ 1 đến 5, cho thấy nền đất rất yếu và dễ bị lún lớn.

  2. Hiệu quả xử lý nền bằng giếng cát: Phương pháp giếng cát giúp tăng tốc độ cố kết đất yếu, giảm độ lún tổng cộng xuống còn khoảng 20-30 cm sau thời gian gia tải khoảng 15 tháng. Tốc độ lún tại đáy nền không vượt quá 10 mm/ngày đêm, đảm bảo tiêu chuẩn kỹ thuật.

  3. Khả năng ứng dụng cọc đá: Mô phỏng bằng Plaxis cho thấy cọc đá có khả năng thoát nước nhanh hơn do lỗ rỗng lớn, giúp giảm thời gian cố kết và lún nền so với giếng cát khoảng 20-30%. Độ lún tổng cộng sau xử lý bằng cọc đá thấp hơn 15-20% so với giếng cát, đồng thời tăng hệ số ổn định nền lên trên 1,4.

  4. So sánh kinh tế kỹ thuật: Mặc dù chi phí đầu tư ban đầu cho phương pháp cọc đá cao hơn giếng cát khoảng 10-15%, nhưng thời gian thi công ngắn hơn và giảm chi phí bảo trì lâu dài, làm cho tổng chi phí vận hành thấp hơn khoảng 12%. Phương pháp cọc đá phù hợp với các đoạn nền đắp cao trên 2 m và có lớp đất yếu dày.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân hiệu quả vượt trội của cọc đá là do khả năng thoát nước nhanh, giảm áp lực nước lỗ rỗng và tăng cường độ đất nền hiệu quả hơn so với các phương pháp truyền thống. Kết quả này phù hợp với các nghiên cứu quốc tế tại Hoa Kỳ và Đức, nơi cọc đá được ứng dụng phổ biến từ những năm 1950.

Biểu đồ so sánh độ lún theo thời gian giữa giếng cát và cọc đá thể hiện rõ sự giảm nhanh độ lún và tăng tốc độ cố kết khi sử dụng cọc đá. Bảng tổng hợp chi phí và thời gian thi công cũng minh họa ưu thế kinh tế kỹ thuật của phương pháp này.

Tuy nhiên, việc áp dụng cọc đá tại Việt Nam còn hạn chế do thiếu kinh nghiệm thi công và thiết bị chuyên dụng. Do đó, nghiên cứu này góp phần cung cấp cơ sở khoa học và thực tiễn để mở rộng ứng dụng cọc đá trong xử lý nền đất yếu tại các vùng đồng bằng sông Cửu Long.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Áp dụng phương pháp xử lý nền đất yếu bằng cọc đá cho các đoạn nền đắp cao trên 2 m: Đề nghị các chủ đầu tư và nhà thầu ưu tiên sử dụng cọc đá tại các khu vực có lớp đất yếu dày, nhằm tăng tốc độ cố kết và giảm lún nền, đảm bảo chất lượng công trình trong vòng 12-15 tháng.

  2. Đào tạo và chuyển giao công nghệ thi công cọc đá: Cần tổ chức các khóa đào tạo kỹ thuật thi công cọc đá cho cán bộ kỹ thuật và công nhân xây dựng, đồng thời đầu tư trang thiết bị chuyên dụng để nâng cao năng lực thi công, dự kiến trong 1-2 năm tới.

  3. Xây dựng tiêu chuẩn kỹ thuật và hướng dẫn thiết kế cọc đá phù hợp với điều kiện Việt Nam: Bộ Giao thông Vận tải và các cơ quan chuyên môn nên phối hợp xây dựng tiêu chuẩn thiết kế, thi công và nghiệm thu cọc đá, nhằm chuẩn hóa quy trình và đảm bảo an toàn kỹ thuật.

  4. Thực hiện các dự án thí điểm và đánh giá hiệu quả kinh tế kỹ thuật: Khuyến khích triển khai các dự án thí điểm xử lý nền đất yếu bằng cọc đá tại các công trình giao thông trọng điểm, đồng thời thu thập dữ liệu để đánh giá và hoàn thiện phương pháp trong vòng 3-5 năm.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Các kỹ sư thiết kế công trình giao thông: Nghiên cứu cung cấp cơ sở lý thuyết và thực tiễn để lựa chọn phương pháp xử lý nền đất yếu phù hợp, giúp thiết kế nền đường ổn định và bền vững.

  2. Nhà thầu thi công và quản lý dự án: Tham khảo quy trình thi công, tổ chức vận chuyển vật liệu và các biện pháp kiểm soát chất lượng khi áp dụng phương pháp cọc đá và giếng cát.

  3. Cơ quan quản lý nhà nước về giao thông và xây dựng: Sử dụng kết quả nghiên cứu để xây dựng chính sách, tiêu chuẩn kỹ thuật và hướng dẫn thi công các công trình trên nền đất yếu tại vùng đồng bằng sông Cửu Long.

  4. Các nhà nghiên cứu và sinh viên chuyên ngành xây dựng cầu đường: Tài liệu cung cấp kiến thức chuyên sâu về địa chất công trình, lý thuyết tính toán nền đất yếu và các phương pháp xử lý hiện đại, phục vụ cho nghiên cứu và học tập.

Câu hỏi thường gặp

  1. Tại sao cần xử lý nền đất yếu trước khi xây dựng đường?
    Nền đất yếu có khả năng chịu tải thấp và độ nén lún lớn, nếu không xử lý sẽ gây lún không đều, mất ổn định nền đường, ảnh hưởng đến an toàn và tuổi thọ công trình. Ví dụ, tại thị xã Bạc Liêu, lớp bùn sét dày 15 m có lực dính chỉ 0,057 daN/cm², rất dễ gây lún lớn.

  2. Phương pháp cọc đá có ưu điểm gì so với giếng cát?
    Cọc đá có lỗ rỗng lớn giúp thoát nước nhanh hơn, tăng tốc độ cố kết và giảm độ lún nền nhanh hơn khoảng 20-30% so với giếng cát. Ngoài ra, cọc đá còn tăng hệ số ổn định nền lên trên 1,4, đảm bảo an toàn kỹ thuật cao hơn.

  3. Chi phí thi công cọc đá có cao không?
    Chi phí ban đầu cho cọc đá cao hơn giếng cát khoảng 10-15%, nhưng nhờ thời gian thi công ngắn và giảm chi phí bảo trì lâu dài, tổng chi phí vận hành thấp hơn khoảng 12%, mang lại hiệu quả kinh tế tổng thể tốt hơn.

  4. Thời gian thi công và gia tải nền đất yếu bằng cọc đá là bao lâu?
    Thời gian gia tải và cố kết nền đất yếu sau khi xử lý bằng cọc đá khoảng 12-15 tháng, ngắn hơn so với giếng cát. Thời gian này được xác định dựa trên kết quả quan trắc lún và chuyển vị ngang thực tế.

  5. Có thể áp dụng phương pháp cọc đá ở những vùng đất yếu khác không?
    Phương pháp cọc đá phù hợp với các vùng có lớp đất yếu dày, đặc biệt là bùn, sét mềm và than bùn. Tuy nhiên, cần khảo sát địa chất cụ thể và điều chỉnh thiết kế phù hợp với điều kiện từng vùng để đảm bảo hiệu quả xử lý.

Kết luận

  • Đất yếu tại thị xã Bạc Liêu chủ yếu là bùn sét với chiều dày từ 10 đến 30 m, có tính nén lún lớn và khả năng chịu tải thấp, đòi hỏi phải xử lý nền trước khi xây dựng đường.
  • Phương pháp xử lý nền đất yếu bằng cọc đá có ưu điểm vượt trội về khả năng thoát nước, tăng tốc độ cố kết và giảm độ lún so với các phương pháp truyền thống như giếng cát.
  • Mô phỏng và phân tích kinh tế kỹ thuật cho thấy cọc đá giúp giảm thời gian thi công và chi phí vận hành tổng thể, phù hợp với các đoạn nền đắp cao trên 2 m.
  • Cần xây dựng tiêu chuẩn kỹ thuật, đào tạo nhân lực và triển khai các dự án thí điểm để mở rộng ứng dụng phương pháp cọc đá tại Việt Nam.
  • Nghiên cứu góp phần nâng cao chất lượng công trình giao thông trên nền đất yếu, đặc biệt tại vùng đồng bằng sông Cửu Long, hỗ trợ phát triển bền vững hạ tầng giao thông quốc gia.

Để tiếp tục phát triển, các nhà quản lý và kỹ sư nên áp dụng kết quả nghiên cứu vào thiết kế và thi công thực tế, đồng thời theo dõi, đánh giá hiệu quả để hoàn thiện phương pháp xử lý nền đất yếu bằng cọc đá trong tương lai.