Tổng quan nghiên cứu

Khu vực Đồng bằng sông Cửu Long sở hữu hệ thống giao thông đường thủy và đường bộ đan xen chằng chịt, trong đó tỉnh Cà Mau có đặc thù địa lý với bờ biển dài 254 km và hơn 87 cửa sông thông ra biển. Do điều kiện địa chất yếu và tập quán tận dụng đất đào kênh để đắp đê, hầu hết các tuyến lộ giao thông nông thôn đều nằm sát mép sông rạch. Điển hình vào mùa khô năm 2020, toàn tỉnh Cà Mau đã ghi nhận gần 1.000 điểm sạt lở và sụt lún nghiêm trọng với tổng chiều dài hơn 21 km. Nhiều vụ sụt lún diễn ra tức thời với chiều sâu từ 2,0 m đến 2,5 m, chiều dài vết nứt từ 18 m đến hơn 100 m, làm tê liệt giao thông cục bộ.

Vấn đề nghiên cứu trọng tâm là xác định cơ chế phá hoại của nền đất yếu dưới công trình đường ven sông khi chịu tác động đồng thời của tải trọng đắp và sự thay đổi mực nước theo mùa. Mục tiêu của luận văn là đánh giá khả năng ổn định trượt sâu và biến dạng dẻo của nền đường đắp tại khu vực đê biển Tây thuộc huyện Trần Văn Thời, tỉnh Cà Mau, đồng thời định lượng hóa ảnh hưởng của các yếu tố kích thước hình học và dao động thủy triều.

Phạm vi nghiên cứu tập trung vào số liệu địa chất và khí tượng thủy văn giai đoạn 2020 đến 2022 tại Cà Mau. Về mặt ý nghĩa thực tiễn, kết quả nghiên cứu đóng vai trò quan trọng trong việc hoàn thiện quy trình tính toán thiết kế nền đắp an toàn, giảm thiểu nguy cơ sạt lở bờ sông và tối ưu hóa chi phí đầu tư công trình bảo vệ bờ vốn có đơn giá trung bình lên tới 20 tỷ đồng trên mỗi kilomet.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn vận dụng lý thuyết sức chịu tải của nền đất yếu và lý thuyết ổn định mái dốc công trình đất. Hai nền tảng lý thuyết cốt lõi gồm:

Lý thuyết cân bằng giới hạn Coulomb kết hợp nguyên lý ứng suất hữu hiệu của Karl Terzaghi, biểu diễn sức chống cắt của đất bão hòa nước thông qua lực dính hiệu quả và góc ma sát trong khi có sự hiện diện của áp lực nước lỗ rỗng.

Lý thuyết sức chịu tải giới hạn của Prandtl và Mandel - Salencon áp dụng cho móng băng mềm và tải trọng hình thang phân bố trên nền đất dính bão hòa nước, hỗ trợ xác định ngưỡng tải trọng an toàn ban đầu và tải trọng phá hoại gây lún trồi.

Các khái niệm cơ bản được phân tích gồm: sức chống cắt không thoát nước của đất sét, áp lực nước lỗ rỗng thặng dư sinh ra do chênh lệch thủy triều, vùng biến dạng dẻo trong lòng khối đất, và hệ số an toàn ổn định trượt của mái dốc.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu đầu vào sử dụng bộ thông số địa chất công trình thực tế gồm 5 lớp đất đặc trưng tại tuyến đê biển Tây, huyện Trần Văn Thời. Cỡ mẫu nghiên cứu bao gồm các chỉ tiêu cơ lý từ thí nghiệm nén lún không nở hông, thí nghiệm cắt cánh hiện trường và thí nghiệm ba trục. Phương pháp chọn mẫu tuân thủ tiêu chuẩn khảo sát địa kỹ thuật hiện hành, đại diện cho tầng sét yếu ngập nước ven biển Tây Nam Bộ.

Tác giả thiết lập 12 kịch bản tính toán tổ hợp để khảo sát tác động của chiều cao đắp từ 1,5 m đến 3,0 m; khoảng cách từ chân đường đến mép kênh từ 1,5 m, 5,0 m đến 7,5 m; mực nước kênh nội đồng từ âm 0,5 m đến âm 4,0 m và mực nước biển từ dương 2,0 m đến âm 0,5 m.

Lý do lựa chọn phương pháp phân tích kết hợp là nhằm khắc phục nhược điểm của từng công cụ đơn lẻ. Phương pháp cân bằng giới hạn thông qua phần mềm GeoStudio SLOPE/W với thuật toán Bishop đơn giản hóa được dùng để quét và tìm kiếm mặt trượt tròn nguy hiểm nhất. Song song đó, phương pháp phần tử hữu hạn thông qua phần mềm Plaxis 2D sử dụng mô hình Mohr - Coulomb được lựa chọn để mô phỏng chính xác trạng thái ứng suất cắt tương đối, sự hình thành các nêm biến dạng dẻo và tổng chuyển vị của nền đường theo tiến trình thời gian thực hiện nghiên cứu từ tháng 9 năm 2021 đến tháng 6 năm 2022.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Mực nước kênh nội đồng rút cạn là nguyên nhân trực tiếp kích hoạt phá hoại: Khi mực nước kênh rút từ mức âm 0,5 m xuống âm 2,0 m và âm 4,0 m vào cao điểm mùa khô, hệ số an toàn ổn định của nền đường giảm mạnh hơn 38%. Cung trượt chuyển dịch sâu vào lòng đất yếu và cắt qua toàn bộ mặt đường đắp.

Khoảng cách lưu không từ chân taluy đường đến mép kênh quyết định mức độ tập trung ứng suất: Khi khoảng cách này thu hẹp từ 7,5 m xuống 1,5 m, mức độ tập trung ứng suất cắt tương đối tại chân đường tăng hơn 45%, đẩy nhanh sự hình thành vùng biến dạng dẻo liên tục nối liền đáy thân đường với lòng kênh đào.

Chiều cao khối đắp khống chế ngưỡng ổn định: Với các đoạn đường đê có chiều cao đắp từ 1,5 m trở lên trên nền bùn sét chưa xử lý, tổng chuyển vị ngang và lún trồi đo được trong mô hình vượt quá 65 cm khi chịu tải trọng xe tương đương, gây phá hoại lún sập tức thời ngay khi thủy triều ngoài biển ở mức cao dương 2,0 m trong khi kênh bên trong cạn kiệt.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân cốt lõi của hiện tượng sụt lún đê biển và đường ven sông Cà Mau vào mùa khô xuất phát từ hiện tượng rút nước nhanh và cạn kiệt nguồn nước trong kênh. Khi nước trong kênh hạ xuống mức âm 4,0 m, áp lực nước thủy tĩnh đóng vai trò lực đỡ phản áp ở chân taluy bị triệt tiêu hoàn toàn. Trong khi đó, tính thấm của lớp đất sét rất thấp khiến áp lực nước lỗ rỗng bên trong thân đê và nền đất yếu chưa kịp tiêu tán, làm giảm đột ngột ứng suất pháp hữu hiệu và khiến sức kháng cắt của đất suy giảm nghiêm trọng.

Kết quả này hoàn toàn tương đồng với các hiện tượng sạt lở thực tế được ghi nhận tại tuyến Quốc lộ 91 thuộc tỉnh An Giang cũng như các kết luận của nhiều nghiên cứu địa kỹ thuật quốc tế về hiện tượng trượt mái dốc trong đất sét dẻo cao do biến đổi áp lực lỗ rỗng.

Dữ liệu mô phỏng được trình bày trực quan thông qua biểu đồ phân bố ứng suất cắt tương đối và lưới biến dạng dẻo trong Plaxis 2D, kết hợp với bảng tổng hợp biến thiên hệ số an toàn theo 12 kịch bản thủy lực. Sự hội tụ giữa kết quả tính bằng phương pháp cân bằng giới hạn và phương pháp phần tử hữu hạn khẳng định độ tin cậy cao của mô hình nghiên cứu.

Đề xuất và khuyến nghị

Thiết lập quy chuẩn khoảng cách hành lang an toàn: Cơ quan quy hoạch cần ban hành quy định khoảng cách tối thiểu từ chân taluy đường đắp đến mép bờ kênh đào là 5,0 m, tối ưu nhất là từ 7,5 m trở lên. Biện pháp này giúp tăng hệ số an toàn ổn định công trình thêm từ 20% đến 25% mà không làm phát sinh chi phí kết cấu.

Áp dụng các giải pháp gia cố nền đất yếu: Đối với các tuyến đường đắp cao từ 1,5 m trở lên, bắt buộc phải triển khai giải pháp kỹ thuật như cắm bấc thấm kết hợp gia tải trước, đóng cọc xi măng đất hoặc đóng cừ tràm kết hợp trải vải địa kỹ thuật nhằm nâng sức chống cắt không thoát nước của tầng bùn sét lên tối thiểu 30% trước khi thảm mặt đường.

Kiểm soát và điều tiết mực nước kênh nội đồng: Công ty Khai thác Công trình Thủy lợi địa phương cần vận hành hệ thống cống đập hợp lý trong mùa khô, duy trì mực nước kênh tối thiểu ở cao độ từ âm 1,0 m đến âm 1,5 m, ngăn chặn triệt để tình trạng rút cạn kiệt nước nội đồng xuống mức âm 4,0 m.

Triển khai hệ thống quan trắc và cảnh báo dịch chuyển: Sở Giao thông Vận tải và Sở Nông nghiệp và Phát triển Nông thôn các tỉnh Đồng bằng sông Cửu Long cần lắp đặt mốc đo lún, thiết bị đo áp lực nước lỗ rỗng tại 100% các điểm xung yếu dọc theo đê biển Tây trong giai đoạn 2023 đến 2025 để chủ động phát hiện nguy cơ trượt lở.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

Kỹ sư thiết kế công trình giao thông và thủy lợi: Tiếp cận phương pháp luận chuẩn xác trong việc tính toán kết hợp giữa phần mềm GeoStudio và Plaxis 2D để giải quyết bài toán ổn định công trình trên đất yếu sát kênh rạch.

Cán bộ quản lý tại các Sở Giao thông Vận tải và Sở Nông nghiệp: Nắm vững cơ chế phá hoại để xây dựng quy hoạch mạng lưới đường giao thông nông thôn và điều hành hệ thống thủy lợi mùa khô an toàn, tiết kiệm ngân sách.

Các đơn vị tư vấn giám sát và nhà thầu xây dựng: Nhận diện rủi ro khi đào đắp đất sát chân taluy, từ đó kiểm soát tốc độ thi công đắp nền nhằm hạn chế sự cố lún trồi nguy hiểm.

Giảng viên, học viên cao học và sinh viên chuyên ngành Địa kỹ thuật: Sử dụng toàn bộ số liệu khảo sát hiện trường, biểu đồ tính toán và phân tích cơ lý mẫu đất Cà Mau làm tài liệu tham khảo chất lượng cao cho các đề tài nghiên cứu chuyên sâu.

Câu hỏi thường gặp

Tại sao đường ven sông ở miền Tây thường bị sụt lún dữ dội vào mùa khô thay vì mùa mưa? Vào mùa khô, mực nước kênh nội đồng bị rút cạn kiệt xuống mức âm 4,0 m làm mất hoàn toàn áp lực nước đỡ ngoài chân taluy. Trong khi đó, đất sét ngậm nước giữ áp lực lỗ rỗng cao làm giảm ứng suất hữu hiệu, khiến khối đất mất sức chống cắt và trượt sạt tức thì.

Khoảng cách từ mép đường đến bờ kênh ảnh hưởng thế nào đến độ an toàn? Khoảng cách càng hẹp thì nguy cơ phá hoại càng cao. Kết quả phân tích cho thấy khi khoảng cách giảm từ 7,5 m xuống 1,5 m, ứng suất cắt tập trung tại chân nền đường tăng thêm 45%, dẫn đến hệ số an toàn tụt dốc xuống dưới ngưỡng phá hoại cho phép.

Chiều cao đắp đường bao nhiêu thì bắt buộc phải có giải pháp xử lý móng? Nghiên cứu chỉ rõ với nền đất bùn sét yếu điển hình tại Cà Mau, khi chiều cao đắp nền đường đạt từ 1,5 m trở lên, công trình luôn tiềm ẩn nguy cơ lún trồi và mất ổn định trượt sâu, đòi hỏi phải xử lý nền bằng bấc thấm hoặc gia cố cọc.

Sự khác biệt chính giữa kết quả tính bằng GeoStudio và Plaxis 2D là gì? GeoStudio tính toán hệ số an toàn trên cung trượt giả định dựa trên nguyên lý cân bằng lực và mômen, còn Plaxis 2D mô phỏng trực quan được vùng biến dạng dẻo, sự dịch chuyển của từng phân tố đất và mức độ lún lệch theo thời gian thi công thực tế.

Làm thế nào để giảm thiểu sạt lở đê kè mà không tốn quá nhiều ngân sách? Thay vì xây dựng kè kiên cố với chi phí đắt đỏ khoảng 20 tỷ đồng trên mỗi kilomet, địa phương có thể kết hợp giải pháp phi công trình như điều tiết mực nước kênh, giữ hành lang lưu không trên 5,0 m và gia cố bờ bằng vật liệu sinh học bản địa.

Kết luận

Xác định chính xác cơ chế sụt lún nền đường đê biển Tây là do tổ hợp bất lợi giữa nền đất bùn sét yếu và sự suy giảm áp lực nước đỡ khi kênh cạn kiệt vào mùa khô.

Định lượng mức độ suy giảm an toàn của công trình khi mực nước hạ sâu, trong đó hệ số ổn định giảm hơn 38% khi nước kênh hạ từ âm 0,5 m xuống âm 4,0 m.

Khẳng định vai trò then chốt của hành lang an toàn với khoảng cách tối thiểu từ 5,0 m đến 7,5 m giữa chân taluy đường và mép kênh đào.

Xác lập ngưỡng chiều cao đắp khống chế 1,5 m cần áp dụng các biện pháp xử lý gia cố móng chuyên sâu nhằm ngăn ngừa biến dạng dẻo.

Đóng góp quy trình phân tích kết hợp giữa phương pháp cân bằng giới hạn và phần tử hữu hạn, làm cơ sở khoa học tin cậy cho công tác thiết kế công trình hạ tầng ven sông.

Luận văn thạc sĩ của tác giả Cao Văn Thịnh là tài liệu học thuật giá trị, cung cấp giải pháp đồng bộ từ thiết kế đến quản lý vận hành công trình vùng ngập nước; các đơn vị tư vấn và cơ quan quản lý hạ tầng giao thông nên tham khảo chi tiết toàn văn công trình nghiên cứu để áp dụng hiệu quả vào thực tiễn quy hoạch và xây dựng.