Tổng quan nghiên cứu

Tình trạng sạt lở bờ sông tại Đồng bằng Sông Cửu Long (ĐBSCL), đặc biệt là tỉnh Sóc Trăng, đang diễn biến ngày càng phức tạp với phạm vi và quy mô gia tăng. Nguyên nhân chủ yếu là do địa chất khu vực chủ yếu là trầm tích phù sa dễ bị xói lở dưới tác động của dòng chảy, sóng tàu, cùng với ảnh hưởng của biến đổi khí hậu làm tăng lượng nước và áp lực sau tường kè. Theo khảo sát, biên độ thủy triều tại huyện Kế Sách, tỉnh Sóc Trăng có thể lên đến 2-2,5m, góp phần làm gia tăng hiện tượng xói lở. Các sự cố tường kè tại ĐBSCL đã gây thiệt hại lớn về kinh tế và ảnh hưởng nghiêm trọng đến đời sống người dân, ví dụ như công trình bờ kè tại huyện Phong Điền (Cần Thơ) bị sạt lở nghiêm trọng, thiệt hại lên đến hàng chục tỷ đồng.

Mục tiêu nghiên cứu là đề xuất giải pháp ổn định hệ thống kè bê tông dự ứng lực cho công trình Cảng Sóc Trăng, nhằm đảm bảo an toàn, hiệu quả kinh tế và mỹ quan. Phạm vi nghiên cứu tập trung vào hệ thống tường cừ bản bê tông cốt thép dự ứng lực tại khu vực cảng, với thời gian nghiên cứu giai đoạn xây dựng và vận hành công trình. Kết quả nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc ứng dụng công nghệ mới, giảm thiểu sự cố, nâng cao tuổi thọ công trình và góp phần phát triển hạ tầng bền vững cho tỉnh Sóc Trăng và vùng lân cận.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn áp dụng các lý thuyết và mô hình tính toán áp lực đất lên tường kè bê tông dự ứng lực, bao gồm:

  • Lý thuyết cân bằng giới hạn Mohr-Coulomb: Xác định trạng thái ứng suất và điều kiện phá hoại cắt trong đất, từ đó tính toán áp lực đất chủ động, bị động và tĩnh tác dụng lên tường kè.
  • Lý thuyết áp lực đất Rankine và Coulomb: Phân tích áp lực đất dựa trên trạng thái cân bằng giới hạn, với các giả thiết về mặt đất, góc ma sát trong của đất và lực dính, giúp xác định hệ số áp lực đất chủ động (K_a) và bị động (K_p).
  • Khái niệm áp lực đất chủ động, bị động và áp lực đất tĩnh: Ba loại áp lực đất này phản ánh các trạng thái chuyển vị khác nhau của tường kè so với đất đắp, ảnh hưởng trực tiếp đến thiết kế và ổn định công trình.
  • Khái niệm lực neo và hệ tường cừ có neo: Giải pháp neo giữ tường cừ nhằm tăng chiều cao tường và giảm chiều sâu ngàm, nâng cao độ ổn định cho các công trình kè cao trên 5m.
  • Các khái niệm chuyên ngành: Tường cừ bản bê tông cốt thép dự ứng lực (BTCT DƯL), áp lực đất chủ động (E_a), áp lực đất bị động (E_p), áp lực đất tĩnh (E_o), hệ số áp lực đất (K_a, K_p, K_o), chuyển vị tường cừ, mô men kháng uốn.

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu sử dụng phương pháp tổng hợp, kế thừa lý thuyết và thực tiễn thi công công trình kè tại ĐBSCL, kết hợp phân tích số liệu địa chất, thủy văn và tải trọng thực tế tại công trình Cảng Sóc Trăng. Cỡ mẫu nghiên cứu bao gồm các số liệu khảo sát địa chất công trình, tài liệu về tải trọng và các kết cấu kè hiện có tại địa phương.

Phân tích được thực hiện bằng phần mềm chuyên dụng mô phỏng hệ thống tường cừ bê tông dự ứng lực, bao gồm hai trường hợp: tường cừ không có neo và tường cừ có neo gia cường. Phương pháp phân tích sử dụng mô hình phần tử hữu hạn (FEM) để đánh giá chuyển vị, ứng suất và ổn định tổng thể của hệ thống kè. Timeline nghiên cứu kéo dài trong năm 2017, bao gồm thu thập tài liệu, xử lý số liệu, mô phỏng và đề xuất giải pháp.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Đặc điểm địa chất và tác động lên tường kè: Địa chất khu vực chủ yếu là bùn hữu cơ, bùn sét với trạng thái chảy, dẻo chảy và dẻo mềm, dễ bị xói lở dưới tác động của dòng chảy và sóng tàu. Biên độ thủy triều tại Sóc Trăng lên đến 2-2,5m, tạo áp lực nước lớn sau tường kè, làm tăng nguy cơ sạt lở.

  2. Hiệu quả của tường cừ bê tông dự ứng lực có neo: Mô phỏng cho thấy tường cừ có neo gia cường giảm chuyển vị ngang tối đa xuống khoảng 30% so với tường không neo, nâng cao độ ổn định tổng thể. Chuyển vị đứng và mô men uốn cũng giảm đáng kể, đảm bảo an toàn kết cấu.

  3. So sánh các loại tường kè: Tường trọng lực bằng đá hộc, rọ đá có ưu điểm thi công đơn giản, chi phí thấp nhưng không phù hợp với nền đất yếu và chiều cao lớn. Tường bê tông cốt thép truyền thống có tuổi thọ cao nhưng khó đảm bảo độ kín khít mối nối. Tường cừ bê tông dự ứng lực có ưu điểm chịu lực tốt, thi công nhanh, mỹ quan đẹp và phù hợp với nhiều điều kiện địa chất.

  4. Tác động của tải trọng thi công và tải trọng phụ: Tải trọng do xe, cần cẩu và vật liệu xếp trên hiện trường làm tăng áp lực lên tường kè, cần được tính toán chính xác để đảm bảo an toàn trong quá trình thi công. Tải trọng biến đổi nhiệt độ cũng ảnh hưởng đến ứng suất trong kết cấu.

Thảo luận kết quả

Kết quả mô phỏng và phân tích cho thấy việc sử dụng tường cừ bê tông cốt thép dự ứng lực có neo là giải pháp tối ưu cho công trình Cảng Sóc Trăng, phù hợp với điều kiện địa chất yếu và áp lực thủy triều lớn. So với các nghiên cứu trước đây về tường kè tại ĐBSCL, giải pháp này giảm thiểu được các sự cố sạt lở và nâng cao tuổi thọ công trình.

Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ chuyển vị ngang và đứng của tường cừ trong hai trường hợp có và không có neo, cũng như bảng so sánh các thông số kỹ thuật của các loại tường kè. Việc áp dụng lý thuyết Mohr-Coulomb và Rankine trong tính toán áp lực đất giúp đảm bảo độ chính xác và tin cậy của kết quả.

Ngoài ra, nghiên cứu cũng chỉ ra rằng việc tính toán áp lực đất cần xem xét đầy đủ các loại tải trọng và điều kiện thực tế như áp lực nước ngầm, tải trọng thi công để tránh các sai sót dẫn đến sự cố công trình. Việc áp dụng công nghệ cọc ván bê tông dự ứng lực của Nhật Bản đã được chứng minh hiệu quả tại nhiều công trình trong nước và quốc tế.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Áp dụng tường cừ bê tông dự ứng lực có neo cho công trình kè tại Sóc Trăng: Đề nghị các chủ đầu tư và đơn vị thi công sử dụng giải pháp tường cừ có neo nhằm tăng độ ổn định, giảm chuyển vị và kéo dài tuổi thọ công trình. Thời gian áp dụng ngay trong các dự án xây dựng mới và nâng cấp kè hiện có.

  2. Tăng cường khảo sát địa chất và thủy văn chi tiết trước khi thiết kế: Để đảm bảo tính chính xác trong tính toán áp lực đất và tải trọng, cần thực hiện khảo sát kỹ lưỡng, cập nhật số liệu thủy triều, dòng chảy và đặc tính đất nền. Chủ thể thực hiện là các đơn vị tư vấn chuyên ngành, thời gian khảo sát nên được thực hiện trước khi thiết kế ít nhất 6 tháng.

  3. Sử dụng phần mềm mô phỏng hiện đại trong thiết kế và kiểm tra kết cấu: Khuyến khích áp dụng phương pháp phần tử hữu hạn (FEM) để mô phỏng ứng suất, chuyển vị và ổn định tổng thể của hệ thống kè, giúp phát hiện sớm các điểm yếu và điều chỉnh thiết kế phù hợp. Chủ thể là các kỹ sư thiết kế và tư vấn giám sát.

  4. Đào tạo và nâng cao năng lực cho cán bộ kỹ thuật và công nhân thi công: Tổ chức các khóa đào tạo về công nghệ cọc ván bê tông dự ứng lực, kỹ thuật thi công và kiểm tra chất lượng nhằm đảm bảo thi công đúng quy trình, giảm thiểu sai sót và sự cố. Thời gian đào tạo định kỳ hàng năm, do các trường đại học và viện nghiên cứu phối hợp thực hiện.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Các kỹ sư thiết kế công trình thủy lợi và giao thông: Luận văn cung cấp cơ sở lý thuyết và phương pháp tính toán áp lực đất, giúp thiết kế các công trình kè bền vững, phù hợp với điều kiện địa chất phức tạp tại ĐBSCL.

  2. Chủ đầu tư và quản lý dự án xây dựng hạ tầng ven sông: Thông tin về các giải pháp công nghệ mới và đánh giá hiệu quả giúp chủ đầu tư lựa chọn phương án tối ưu, tiết kiệm chi phí và giảm thiểu rủi ro sự cố.

  3. Các nhà nghiên cứu và sinh viên chuyên ngành Địa kỹ thuật xây dựng: Luận văn là tài liệu tham khảo quý giá về lý thuyết áp lực đất, mô hình tính toán và ứng dụng thực tiễn trong công trình kè bê tông dự ứng lực.

  4. Đơn vị thi công và giám sát công trình: Hiểu rõ về đặc điểm kỹ thuật, yêu cầu thi công và kiểm tra chất lượng giúp nâng cao hiệu quả thi công, đảm bảo an toàn và mỹ quan công trình.

Câu hỏi thường gặp

  1. Tại sao cần sử dụng tường cừ bê tông dự ứng lực thay vì tường trọng lực truyền thống?
    Tường cừ bê tông dự ứng lực có khả năng chịu lực cao hơn, thi công nhanh, tiết kiệm vật liệu và phù hợp với nền đất yếu. Tường trọng lực bằng đá hộc nặng, khó làm cao và không phù hợp với điều kiện địa chất phức tạp tại ĐBSCL.

  2. Lực neo có vai trò gì trong hệ thống tường kè?
    Lực neo giúp giữ cân bằng tường cừ, giảm chiều sâu ngàm chân tường và tăng chiều cao tường kè, nâng cao độ ổn định tổng thể, đặc biệt hiệu quả với tường cao trên 5m.

  3. Phương pháp nào được sử dụng để tính áp lực đất trong luận văn?
    Luận văn sử dụng lý thuyết Mohr-Coulomb, Rankine và Coulomb để tính toán áp lực đất chủ động, bị động và tĩnh, kết hợp với mô phỏng phần tử hữu hạn để đánh giá chuyển vị và ứng suất.

  4. Có những hạn chế nào khi thi công tường cừ bê tông dự ứng lực?
    Thi công đòi hỏi thiết bị hiện đại như búa rung, búa thủy lực, yêu cầu độ chính xác cao và chi phí cao hơn so với cọc đóng truyền thống. Ngoài ra, khó thi công theo đường cong có bán kính nhỏ.

  5. Giải pháp nào giúp giảm thiểu sự cố sạt lở bờ sông tại ĐBSCL?
    Ngoài việc sử dụng tường cừ bê tông dự ứng lực có neo, cần tăng cường khảo sát địa chất, áp dụng công nghệ thi công hiện đại, kiểm soát tải trọng thi công và bảo vệ môi trường, hạn chế khai thác cát trái phép.

Kết luận

  • Địa chất yếu và tác động thủy triều lớn tại Sóc Trăng là nguyên nhân chính gây sạt lở bờ sông, đòi hỏi giải pháp kè phù hợp và bền vững.
  • Tường cừ bê tông cốt thép dự ứng lực có neo là giải pháp tối ưu, giảm chuyển vị và tăng độ ổn định cho công trình kè tại Cảng Sóc Trăng.
  • Phương pháp tính toán áp lực đất dựa trên lý thuyết Mohr-Coulomb, Rankine và Coulomb kết hợp mô phỏng phần tử hữu hạn đảm bảo độ chính xác và tin cậy.
  • Cần áp dụng đồng bộ các giải pháp kỹ thuật, khảo sát địa chất và nâng cao năng lực thi công để đảm bảo hiệu quả và an toàn công trình.
  • Khuyến nghị triển khai áp dụng giải pháp này trong các dự án kè ven sông tại ĐBSCL, đồng thời tiếp tục nghiên cứu mở rộng ứng dụng và cải tiến công nghệ.

Tiếp theo, các đơn vị quản lý và kỹ thuật nên phối hợp triển khai đào tạo, khảo sát thực địa và áp dụng mô hình tính toán để nâng cao chất lượng công trình kè, góp phần phát triển bền vững hạ tầng ven sông tại khu vực.