Tổng quan nghiên cứu

Trượt lở đất đá là một trong những hiện tượng địa chất động lực công trình phổ biến và gây thiệt hại nghiêm trọng tại nhiều khu vực có địa hình đồi núi, đặc biệt là các mái dốc nhân tạo như taluy đào, đắp nền đường. Tại Việt Nam, với điều kiện địa hình phức tạp và ảnh hưởng của biến đổi khí hậu, hiện tượng trượt lở càng trở nên cấp thiết, đặc biệt trên các tuyến đường cao tốc như Hạ Long - Vân Đồn. Trong giai đoạn thi công từ 2016 đến 2018, tuyến cao tốc này đã ghi nhận hơn 100 vụ trượt lở, trong đó khối trượt tại Km 27+900 thuộc xã Thống Nhất, huyện Hoành Bồ, tỉnh Quảng Ninh là một điểm nóng với diện tích trượt rộng khoảng 40m và chiều cao 100m, gây sụt lún 25.000 m³ đất xuống lòng đường.

Mục tiêu nghiên cứu của luận văn là phân tích cơ chế trượt, đánh giá độ ổn định mái taluy đào tại vị trí này và đề xuất các giải pháp gia cố phù hợp nhằm đảm bảo an toàn công trình và giảm thiểu rủi ro trượt lở trong tương lai. Phạm vi nghiên cứu tập trung vào khối trượt tại Km 27+900 trên tuyến cao tốc Hạ Long - Vân Đồn, sử dụng các phần mềm chuyên dụng như PLAXIS và GeoStudio để mô phỏng và phân tích. Nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc nâng cao hiệu quả quản lý, bảo trì công trình giao thông, đồng thời góp phần giảm thiểu thiệt hại về kinh tế và xã hội do trượt lở gây ra.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên các lý thuyết và mô hình địa kỹ thuật hiện đại để đánh giá ổn định mái dốc, bao gồm:

  • Phương pháp cân bằng giới hạn (Limit Equilibrium Method - LEM): Phương pháp này phân tích sự cân bằng lực và mô men trên các mặt trượt giả định, trong đó phương pháp Bishop đơn giản được sử dụng phổ biến để tính hệ số an toàn (FOS) của mái taluy. LEM giả định khối trượt trụ tròn và phân thành các thỏi nhỏ để tính toán lực gây trượt và lực kháng trượt.

  • Phương pháp phần tử hữu hạn (Finite Element Method - FEM): Sử dụng mô hình số để mô phỏng ứng xử của đất đá dưới tải trọng, xác định hệ số an toàn và cơ chế phá hoại mà không cần giả định trước mặt trượt. Mô hình Mohr-Coulomb và mô hình Hardening-Soil được áp dụng để mô tả tính chất vật liệu đất đá, trong đó mô hình Hardening-Soil cho phép mô phỏng biến dạng dẻo và tăng bền của đất.

Các khái niệm chính bao gồm: hệ số an toàn (FOS), sức kháng cắt của đất, neo ứng suất trước, mặt trượt trụ tròn, mô hình vật liệu Mohr-Coulomb, mô hình Hardening-Soil, và các giải pháp gia cố mái dốc.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu được thu thập bao gồm địa hình, địa chất công trình, địa chất thủy văn, khí tượng thủy văn khu vực khối trượt tại Km 27+900. Khảo sát thực địa được thực hiện qua đo vẽ, chụp ảnh, khoan thăm dò và đo địa vật lý để xác định đặc điểm cấu trúc và thành phần đất đá. Thí nghiệm trong phòng được tiến hành để xác định các chỉ tiêu cơ lý của đất đá ở trạng thái tự nhiên và bão hòa, làm cơ sở cho mô hình số.

Phân tích mô hình số sử dụng phần mềm PLAXIS và GeoStudio (mô đun SLOPE/W) để tính toán độ ổn định mái taluy trong các trường hợp khác nhau, bao gồm ảnh hưởng của mực nước ngầm, sức kháng cắt của đất và chiều dài neo ứng suất trước. Cỡ mẫu nghiên cứu là toàn bộ khối trượt tại vị trí Km 27+900, với các mô hình số được hiệu chỉnh dựa trên dữ liệu thực tế và thí nghiệm. Timeline nghiên cứu kéo dài từ năm 2019 đến 2022, bao gồm thu thập dữ liệu, phân tích mô hình và đề xuất giải pháp.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Đặc điểm trượt lở tại Km 27+900: Khối trượt có diện tích khoảng 4.000 m², chiều cao 100m, với hơn 25.000 m³ đất bị sụt lún xuống lòng đường cao tốc. Phân tích địa chất cho thấy lớp đất đá phong hóa dày, mực nước ngầm biến động mạnh, ảnh hưởng lớn đến độ ổn định mái taluy.

  2. Hệ số ổn định mái taluy: Kết quả phân tích bằng phần mềm GeoStudio cho thấy hệ số an toàn (FOS) trong điều kiện mực nước ngầm cao chỉ đạt khoảng 0,86, thấp hơn ngưỡng an toàn 1,0, cho thấy mái taluy không ổn định. Khi giảm sức kháng cắt của đất 10-30%, FOS giảm xuống còn khoảng 0,75-0,80, làm tăng nguy cơ trượt lở.

  3. Ảnh hưởng của chiều dài neo ứng suất trước: Phân tích cho thấy khi chiều dài neo giảm 20-50%, hệ số ổn định giảm tương ứng từ 1,15 xuống 0,95, cho thấy chiều dài neo là yếu tố quan trọng trong việc gia cố mái taluy. Chiều dài neo tối ưu được đề xuất là trên 14m để đảm bảo ổn định.

  4. Hiệu quả các giải pháp gia cố: Giải pháp neo ứng suất trước kết hợp với khung bê tông cốt thép và tường chắn bê tông được đánh giá là hiệu quả nhất, giúp nâng hệ số an toàn lên trên 1,2 trong điều kiện mực nước ngầm cao. Giải pháp phi công trình như trồng cỏ Vetiver và sử dụng vật liệu Neoweb cũng góp phần giảm xói mòn và tăng cường ổn định bề mặt mái taluy.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính gây mất ổn định mái taluy tại Km 27+900 là do sự kết hợp của địa chất yếu, mực nước ngầm cao và tác động của mưa lớn kéo dài trong mùa mưa 2018. So với các nghiên cứu trong ngành, kết quả FOS thấp tương đồng với các trường hợp trượt lở tại các khu vực đồi núi có điều kiện địa chất tương tự. Việc sử dụng phần mềm PLAXIS và GeoStudio cho phép mô phỏng chính xác cơ chế trượt và đánh giá hiệu quả các giải pháp gia cố.

Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ biến thiên hệ số ổn định theo mực nước ngầm và chiều dài neo, cũng như bảng tổng hợp các thông số cơ lý đất đá và kết quả thí nghiệm. Kết quả nghiên cứu góp phần làm rõ cơ chế trượt lở và cung cấp cơ sở khoa học cho việc thiết kế các giải pháp gia cố phù hợp, giảm thiểu rủi ro trượt lở trong tương lai.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Thiết kế và thi công hệ thống neo ứng suất trước: Tăng chiều dài neo tối thiểu 14m, bố trí theo mạng lưới chữ nhật với khoảng cách neo không quá 1,5m để đảm bảo lực kháng trượt hiệu quả. Thời gian thực hiện trong vòng 12 tháng, do đơn vị thi công chuyên ngành địa kỹ thuật đảm nhiệm.

  2. Xây dựng tường chắn bê tông cốt thép: Áp dụng tường chắn cao từ 3-5m kết hợp với khung bê tông cốt thép để ngăn chặn trượt nông và hỗ trợ neo đất. Thời gian thi công dự kiến 6-9 tháng, ưu tiên khu vực có nguy cơ trượt cao.

  3. Áp dụng giải pháp phi công trình: Trồng cỏ Vetiver với mật độ dày để bảo vệ bề mặt mái taluy, giảm xói mòn và tăng cường sức kháng cắt của đất. Thời gian trồng và phát triển khoảng 3-6 tháng, do các đơn vị quản lý môi trường và nông nghiệp phối hợp thực hiện.

  4. Giám sát và quản lý mực nước ngầm: Lắp đặt hệ thống quan trắc mực nước ngầm và mưa để theo dõi biến động, từ đó điều chỉnh các biện pháp gia cố kịp thời. Thời gian triển khai hệ thống giám sát là 3 tháng, do các cơ quan quản lý công trình và địa chất thực hiện.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Các kỹ sư địa kỹ thuật và thiết kế công trình giao thông: Nghiên cứu cung cấp cơ sở khoa học và phương pháp phân tích ổn định mái taluy, hỗ trợ thiết kế các giải pháp gia cố hiệu quả.

  2. Các nhà quản lý dự án và chủ đầu tư cao tốc: Giúp hiểu rõ nguyên nhân trượt lở và các biện pháp phòng ngừa, từ đó đưa ra quyết định đầu tư và bảo trì hợp lý.

  3. Các nhà nghiên cứu và sinh viên chuyên ngành địa kỹ thuật: Tài liệu tham khảo về lý thuyết, mô hình tính toán và ứng dụng phần mềm phân tích ổn định mái dốc.

  4. Cơ quan quản lý môi trường và phòng chống thiên tai: Cung cấp thông tin về tác động của biến đổi khí hậu và mưa lớn đến trượt lở, hỗ trợ xây dựng các chính sách giảm thiểu rủi ro.

Câu hỏi thường gặp

  1. Tại sao mái taluy tại Km 27+900 dễ bị trượt lở?
    Nguyên nhân chính là do địa chất yếu, lớp đất phong hóa dày, mực nước ngầm cao và tác động của mưa lớn kéo dài, làm giảm sức kháng cắt của đất và gây mất ổn định mái taluy.

  2. Phương pháp nào được sử dụng để đánh giá ổn định mái taluy?
    Luận văn sử dụng phương pháp cân bằng giới hạn (Bishop đơn giản) và phương pháp phần tử hữu hạn (FEM) với mô hình Mohr-Coulomb và Hardening-Soil để phân tích và tính toán hệ số an toàn.

  3. Giải pháp neo ứng suất trước có ưu điểm gì?
    Neo ứng suất trước giúp tăng lực kháng trượt bằng cách tạo lực nén lên khối đất, nâng cao độ ổn định mái taluy, đồng thời có thể thi công nhanh và phù hợp với các mái dốc có địa chất phức tạp.

  4. Tại sao cần kết hợp giải pháp công trình và phi công trình?
    Giải pháp công trình như tường chắn và neo đất đảm bảo ổn định cơ học, trong khi giải pháp phi công trình như trồng cỏ giúp bảo vệ bề mặt, giảm xói mòn và tăng cường sức kháng cắt tự nhiên của đất.

  5. Làm thế nào để giám sát hiệu quả các biện pháp gia cố?
    Cần lắp đặt hệ thống quan trắc mực nước ngầm, chuyển vị mái taluy và lượng mưa để theo dõi biến động, từ đó điều chỉnh và bảo trì kịp thời các giải pháp gia cố nhằm đảm bảo an toàn lâu dài.

Kết luận

  • Trượt lở tại Km 27+900 là hiện tượng phổ biến và nghiêm trọng, ảnh hưởng trực tiếp đến an toàn tuyến cao tốc Hạ Long - Vân Đồn.
  • Phân tích mô hình số cho thấy hệ số an toàn mái taluy thấp dưới điều kiện mực nước ngầm cao và giảm sức kháng cắt đất.
  • Giải pháp neo ứng suất trước kết hợp tường chắn bê tông và trồng cỏ Vetiver được đề xuất nhằm nâng cao độ ổn định và bảo vệ bề mặt mái taluy.
  • Việc giám sát mực nước ngầm và chuyển vị mái taluy là cần thiết để đảm bảo hiệu quả lâu dài của các biện pháp gia cố.
  • Nghiên cứu cung cấp cơ sở khoa học và thực tiễn cho công tác thiết kế, thi công và quản lý các công trình giao thông trên địa hình phức tạp.

Tiếp theo, cần triển khai thực hiện các giải pháp gia cố theo đề xuất, đồng thời xây dựng hệ thống giám sát và bảo trì định kỳ để đảm bảo an toàn công trình. Các đơn vị liên quan được khuyến nghị phối hợp chặt chẽ trong quá trình thực hiện.