Tổng quan nghiên cứu

Khu đô thị mới Thủ Thiêm đóng vai trò hạt nhân trung tâm tài chính và thương mại quốc tế của Thành phố Hồ Chí Minh, gắn liền với chương trình chỉnh trang đô thị quy mô lớn nhằm di dời hơn 17.000 hộ dân ven kênh rạch với tổng nguồn vốn đền bù lên tới 12.400 tỷ đồng. Bán đảo Thủ Thiêm được bao bọc bởi 8,43 km đường bờ sông Sài Gòn với địa hình trũng thấp có cao độ dao động từ -0,5 m đến +1,5 m. Dòng chảy khu vực chịu chế độ bán nhật triều không đều sâu sắc, biên độ triều lớn và tốc độ dòng chảy cực đại đạt tới 1,91 m/s, gây áp lực xói mòn thủy lực rất mạnh vào các cung bờ lõm.

Thực trạng địa chất bờ sông Thủ Thiêm đặc trưng bởi tầng bùn sét yếu dẻo chảy dày từ 11,3 m đến 18,3 m nằm ngay sát bề mặt, làm suy giảm nghiêm trọng sức chịu tải của nền móng và gây ra hàng loạt sự cố sạt lở hàm ếch cục bộ với độ sâu hố xói đáy sông từ 8 m đến hơn 24,22 m. Nhằm bảo vệ an toàn công trình hạ tầng, các trục giao thông chính như tuyến đường R3 và dải công viên cây xanh ven sông rộng 120 m, luận văn tập trung nghiên cứu giải pháp ứng dụng cọc ván bê tông cốt thép dự ứng lực kết hợp hệ thống neo giữ. Nghiên cứu xác lập cơ sở tính toán khoa học, tối ưu hóa kích thước kết cấu kè, kiểm soát biến dạng trượt ngang và gia tăng hệ số an toàn ổn định công trình trên 50 năm khai thác.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu ứng dụng đồng bộ lý thuyết tương tác đất kết cấu thông qua mô hình phần tử hữu hạn và mô hình nền đàn hồi Mohr-Coulomb kết hợp Hardening Soil. Mô hình này mô tả chính xác ứng xử phi tuyến của đất yếu khi chịu tải trọng gia tải đắp sau lưng kè và tải trọng thủy động lực ngoài sông. Cơ sở tính toán ổn định tổng thể trượt cung tròn bờ kè dựa trên lý thuyết cân bằng giới hạn của Bishop và Janbu, tuân thủ các quy định nghiêm ngặt của tiêu chuẩn thiết kế công trình bảo vệ bờ sông chống lũ 14TCN 84-91.

Khung lý thuyết cọc ván bê tông cốt thép dự ứng lực được xây dựng trên nguyên lý ứng suất nén trước trong bê tông cường độ cao mác M500 đến M600, giúp tiết diện dạng sóng mỏng triệt tiêu hoàn toàn ứng suất kéo phát sinh do áp lực đất chủ động và áp lực sóng tàu. Các chỉ số cơ lý đất nền quyết định đến tính toán bao gồm góc ma sát trong thoát nước chỉ từ 0 độ 46 phút đến 4 độ 11 phút, lực dính kết Ccu dao động từ 0,070 kG/cm2 đến 0,116 kG/cm2, cùng mô đun đàn hồi của thanh neo thép cường độ cao có giới hạn chảy trên 500 MPa.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu địa kỹ thuật của luận văn được thu thập từ 6 hố khoan khảo sát công trình ký hiệu từ DA-LKK1 đến DA-LKK6 với chiều sâu khoan khảo sát 40 m do Công ty Cổ phần Tư vấn Thiết kế Giao thông Vận tải Phía Nam thực hiện, kết hợp chuỗi hố khoan bổ sung trên tuyến kè R3. Dữ liệu thủy văn sử dụng chuỗi quan trắc liên tục nhiều năm tại trạm thủy văn Phú An với mực nước lớn nhất ứng với tần suất lũ 1% đạt +1,71 m và mực nước kiệt thiết kế tần suất 90% đạt -2,04 m đến -2,58 m.

Phương pháp phân tích số phần tử hữu hạn hai chiều trên phần mềm Plaxis 2D được lựa chọn làm công cụ chủ đạo. Phương pháp này mô phỏng chân thực quy trình thi công theo từng giai đoạn thực tế: hạ cọc ván dự ứng lực, đóng cọc neo BTCT góc nghiêng 45 độ, căng kéo thanh neo thép tiền định, tôn tạo nền đắp sau kè và hạ thấp mực nước ngoài sông khi triều rút kiệt. Toàn bộ chuỗi số liệu được phân tích trong giai đoạn từ năm 2014 đến năm 2019, giúp đánh giá chính xác biến thiên nội lực mô men uốn và chuyển vị dịch chuyển ngang của thân kè.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Phân tích động lực học đường bờ chia bán đảo Thủ Thiêm thành 7 phân đoạn chuyên biệt, trong đó Đoạn 1, 2 từ Km0 đến Km1+125 và Đoạn 7 từ Km6+986 đến Km8+430 là các khu vực bờ lõm xói lở nguy hiểm nhất. Vận tốc dòng chảy sát bờ tại đây đạt 0,6 m/s, cao trình hố xói vực sâu lấn sát chân bờ đạt tới -24,22 m, khiến các biện pháp kè mềm tự phát bằng cọc gỗ hoặc đá hộc trước đây bị phá hủy hoàn toàn.

Khảo sát địa chất xác định tầng đất yếu bao gồm Lớp 1a và 1b là bùn sét xám đen dẻo chảy với chiều dày trung bình 16 m, hệ số rỗng ban đầu rất cao e0 = 2,245, độ ẩm tự nhiên xấp xỉ 91,3% và chỉ số đập búa tiêu chuẩn SPT chỉ từ 1 đến 3 búa. Khi chưa có công trình xử lý, hệ số an toàn trượt mái dốc tự nhiên chỉ đạt Fs = 0,92, tiềm ẩn nguy cơ sạt lở toàn diện dải hành lang ven sông.

Ứng dụng kết cấu cọc ván bê tông cốt thép dự ứng lực dạng sóng liên hợp dầm mũ và cọc neo giúp tăng cường mô men kháng uốn lên hơn 38% so với phương án cọc ván BTCT thường cùng kích thước tiết diện. Phân tích số liệu mô phỏng cho thấy giải pháp mới giảm tới 32% khối lượng bê tông sử dụng và rút ngắn khoảng 50% thời gian thi công ngoài hiện trường nhờ phương pháp ép rung định hình đúc sẵn.

Hệ thống thanh neo thép kết hợp cọc neo đóng xiên triệt tiêu chuyển vị đỉnh tường kè, khống chế độ võng ngang lớn nhất ở mức 28 mm, hoàn toàn nằm trong giới hạn cho phép theo tiêu chuẩn kỹ thuật hiện hành. Hệ số an toàn ổn định tổng thể của công trình sau khi xử lý kè cọc ván đạt Fs = 1,45, gia tăng hơn 57% so với trạng thái tự nhiên chưa gia cố.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính gây mất ổn định bờ sông Thủ Thiêm là sự kết hợp giữa chênh lệch cột nước áp lực triều rút nhanh lên tới 4,29 m giữa đỉnh triều và chân triều cùng sự hiện diện của tầng bùn sét có sức chịu tải cực kém. Biểu đồ mô men uốn dọc thân cọc ván thể hiện rõ vùng chịu uốn lớn nhất xuất hiện tại vị trí tiếp giáp giữa lớp bùn sét yếu và tầng cát chặt ở cao độ -18,5 m đến -21,0 m.

So sánh trên bảng chỉ tiêu kinh tế kỹ thuật giữa phương án tường chắn trọng lực chữ L đặt trên hệ cọc 40x40 cm và cọc ván bê tông cốt thép dự ứng lực cho thấy cọc ván có khả năng tự chống thấm nước ngầm vượt trội, hạn chế tối đa việc xói ngầm vật liệu đắp sau kè. Sự kết hợp giữa cọc ván dự ứng lực cắm sâu vào tầng đất tốt và lớp thảm rọ đá gia cố chân khay ngoài sông rộng 4,0 m đến 9,8 m tạo ra một hệ kết cấu chắn giữ bền vững, bảo tồn tuyệt đối cảnh quan đô thị và đường dạo ven sông.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Áp dụng kết cấu cọc ván bê tông cốt thép dự ứng lực đúc sẵn mác cao M600 cho toàn bộ phân đoạn bờ kè xung yếu từ Đoạn 1 đến Đoạn 4, với chiều dài cọc thiết kế từ 28 m đến 32 m để đảm bảo ngàm sâu tối thiểu 5 m vào tầng cát chặt sét có chỉ số SPT trên 20 búa.
  2. Lắp đặt hệ thanh neo thép dự ứng lực mạ kẽm chống ăn mòn đường kính từ 40 mm đến 60 mm, liên kết với cọc neo BTCT nghiêng 45 độ, thực hiện căng kéo tạo lực nén trước đạt giá trị thiết kế từ 120 kN đến 150 kN trước khi tiến hành đắp đất nền sau kè nhằm khống chế chuyển vị ngang ngay từ giai đoạn thi công.
  3. Trải lớp thảm rọ đá bọc nhựa PVC dày 0,3 m đến 0,5 m kết hợp tầng lọc bằng vải địa kỹ thuật không dệt có cường độ kéo đứt lớn hơn 25 kN/m tại chân kè, trải rộng từ 4 m đến 9,8 m ra phía lòng sông để ngăn chặn triệt để hiện tượng xói lở lòng dẫn do dòng xoáy triều.
  4. Thiết lập hệ thống trạm quan trắc lún và chuyển vị ngang tự động bằng thiết bị đo nghiêng trong thân cọc với chu kỳ đo 7 ngày/lần trong 6 tháng đầu sau khi hoàn thành và 1 tháng/lần trong 2 năm tiếp theo do Ban Quản lý Đầu tư Xây dựng Khu đô thị mới Thủ Thiêm và Sở Giao thông Vận tải TP.HCM phối hợp kiểm soát.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Kỹ sư thiết kế công trình thủy công và hạ tầng giao thông: Nắm bắt phương pháp luận tính toán kết cấu cọc ván dự ứng lực chịu lực ngang lớn trên nền đất yếu dày bằng phần mềm chuyên dụng và quy trình tra cứu địa kỹ thuật chi tiết.
  2. Chủ đầu tư và Ban quản lý dự án đô thị ven sông: Khai thác tài liệu làm cơ sở thẩm định phương án kỹ thuật, tối ưu hóa tổng mức đầu tư xây dựng, rút ngắn 30% đến 50% tiến độ thực hiện và cam kết tuổi thọ công trình trên 50 năm.
  3. Nhà thầu thi công nền móng và công trình ngầm: Tham khảo quy trình công nghệ ép búa rung hạ cọc ván dự ứng lực, kỹ thuật neo ngầm trong đô thị và phương pháp điều phối biện pháp thi công theo bảng dự báo triều trạm Phú An với tần suất 10% đến 90%.
  4. Giảng viên, nghiên cứu sinh và học viên cao học chuyên ngành Công trình Giao thông: Tiếp cận hệ thống dữ liệu khảo sát địa chất 40 m và số liệu thủy văn động học đường bờ sông Sài Gòn dài 8,43 km làm nền tảng cho các nghiên cứu phát triển sau này.

Câu hỏi thường gặp

Tại sao cọc ván BTCT dự ứng lực vượt trội hơn tường chắn trọng lực truyền thống tại Thủ Thiêm?

Cọc ván bê tông cốt thép dự ứng lực sử dụng vật liệu cường độ cao M600 và lực căng trước giúp tăng mô men kháng uốn lên 35% đến 40%, đồng thời có khớp nối âm dương chống rò rỉ cát sau lưng kè. Phương pháp này giảm 32% khối lượng vật tư và không cần bệ móng cọc đào hở phức tạp trong tầng bùn yếu dày 16 m.

Địa chất tầng bùn sét dày 11,3 m đến 18,3 m ảnh hưởng thế nào đến chiều dài cọc ván?

Do lớp bùn sét mặt có sức kháng cắt Cuu cực thấp chỉ 0,116 kG/cm2 và SPT N = 1-3 búa, cọc ván không thể lấy điểm tựa ngàm ở tầng mặt. Cọc bắt buộc phải có chiều dài thiết kế từ 28 m đến 32 m để xuyên qua lớp bùn yếu và cắm ngàm sâu tối thiểu 5 m vào tầng cát chặt bên dưới.

Hệ thống thanh neo và cọc neo giữ vai trò kỹ thuật gì trong kết cấu kè bờ sông?

Hệ neo giữ đóng vai trò cố định đầu trên của cọc ván, tạo liên kết khớp chuyển sơ đồ kết cấu từ cọc công xôn uốn tự do sang cọc một đầu ngàm một đầu tựa. Giải pháp này giúp giảm tới 45% giá trị mô men uốn lớn nhất trong thân cọc và khống chế chuyển vị ngang đỉnh kè dưới mức 28 mm.

Chế độ bán nhật triều sông Sài Gòn tác động như thế nào đến tính toán ổn định kè?

Biên độ triều dao động lớn với mực nước kiệt xuống tới -2,58 m và đỉnh lũ lên tới +1,71 m tạo ra chênh lệch áp lực thủy tĩnh ngoài và trong bờ kè lên tới hơn 4 m. Hiện tượng triều rút nhanh gây dòng thấm ngược làm gia tăng áp lực đẩy bục và trượt lở mái bờ nếu không có vải địa kỹ thuật lọc ngược.

Giải pháp chống xói lở đáy và chân khay kè được xử lý như thế nào để đảm bảo tuổi thọ công trình?

Chân khay ngoài kè được bảo vệ bằng lớp thảm rọ đá mạ kẽm bọc nhựa PVC dày 0,3 m đến 0,5 m kết hợp vải địa kỹ thuật không dệt trải rộng từ 4 m đến 9,8 m ra phía lòng sông. Kết cấu này triệt tiêu năng lượng xoáy đáy của dòng chảy có vận tốc 1,91 m/s và ngăn xói ngầm chân cọc.

Kết luận

  • Luận văn giải quyết triệt để bài toán sạt lở bờ sông nghiêm trọng dài 8,43 km quanh bán đảo Thủ Thiêm với chế độ bán nhật triều phức tạp và nền bùn sét yếu dày tới 18,3 m.
  • Xác lập cơ sở khoa học áp dụng cọc ván bê tông cốt thép dự ứng lực giúp nâng cao 38% khả năng chịu tải và khống chế chuyển vị ngang đỉnh kè an toàn dưới 28 mm.
  • Mô phỏng số trên Plaxis 2D khẳng định giải pháp cọc ván kết hợp thanh neo nâng hệ số an toàn trượt mái dốc tổng thể từ Fs = 0,92 lên Fs = 1,45.
  • Đề xuất lộ trình thi công đồng bộ giải pháp cọc ván ngàm sâu vào tầng cát chặt từ cao độ -28 m kết hợp thảm rọ đá chân khay bảo vệ công trình trong tầm nhìn quy hoạch 2020 đến 2025.
  • Nghiên cứu là cẩm nang kỹ thuật thực tiễn giá trị cao cho các kỹ sư và nhà quản lý đô thị; bạn đọc hãy liên hệ hoặc tra cứu toàn văn tài liệu để áp dụng hiệu quả vào các dự án hạ tầng ven sông tương tự.