Tổng quan nghiên cứu

Tỉnh Kiên Giang, nằm ở cực Tây Nam Việt Nam, sở hữu vùng biển rộng lớn trong vịnh phía Tây với đặc điểm địa chất chủ yếu là bùn phù sa và đất yếu. Từ năm 1999, các dự án lấn biển mở rộng đô thị tại Rạch Giá và Hà Tiên đã tạo ra quỹ đất đáng kể phục vụ phát triển dân cư và du lịch. Tuy nhiên, các công trình kè bờ truyền thống như kè trọng lực đá đổ và kè bê tông cốt thép dự ứng lực đang gặp khó khăn do nguồn vật liệu khan hiếm và chi phí cao. Trong bối cảnh đó, việc nghiên cứu ứng dụng túi địa kỹ thuật Geotubes trong xây dựng kè biển tại Kiên Giang trở nên cấp thiết nhằm tìm ra giải pháp thay thế hiệu quả, thân thiện môi trường và kinh tế hơn.

Mục tiêu nghiên cứu tập trung vào việc tính toán, thiết kế và ứng dụng Geotubes làm lõi kè biển, phân tích ứng suất và biến dạng trong quá trình bơm vật liệu, đồng thời mô phỏng khả năng ổn định công trình trên nền đất yếu bằng phần mềm chuyên dụng. Phạm vi nghiên cứu bao gồm dự án khu đô thị du lịch lấn biển Nam Hà Tiên, với chiều dài tuyến kè khoảng 5 km, thực hiện trong giai đoạn 2009-2018. Kết quả nghiên cứu không chỉ góp phần nâng cao hiệu quả kỹ thuật và kinh tế cho các công trình kè biển tại Kiên Giang mà còn có ý nghĩa thực tiễn rộng lớn cho các tỉnh Đồng bằng sông Cửu Long.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên hai lý thuyết chính: lý thuyết tính toán ứng suất và biến dạng của túi địa kỹ thuật Geotubes dưới áp lực bơm slurry, và mô hình phân tích ổn định công trình kè trên nền đất yếu bằng phương pháp phần tử hữu hạn (FEM). Các khái niệm trọng tâm bao gồm:

  • Geotubes: Túi địa kỹ thuật dạng ống được may từ vải địa kỹ thuật dệt cường độ cao, có khả năng chứa vật liệu slurry (cát, đất bùn) bên trong, tạo thành kết cấu chống xói lở bờ biển.
  • Áp lực bơm slurry: Lực tác động bên trong ống khi bơm vật liệu, ảnh hưởng trực tiếp đến hình dạng và ứng suất trên vải làm ống.
  • Lực căng vải địa kỹ thuật: Lực kéo theo hai phương chu vi và dọc trục ống, quyết định khả năng chịu lực và lựa chọn loại vải phù hợp.
  • Phần mềm GeoCoPS: Công cụ tính toán ứng suất, hình dạng ống và áp lực bơm dựa trên các tham số thiết kế.
  • Phần mềm Plaxis: Mô phỏng ổn định và biến dạng công trình kè kết hợp Geotubes trên nền đất yếu, đánh giá khả năng làm việc thực tế của kết cấu.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu chính bao gồm số liệu địa chất, thủy văn, khí tượng thu thập tại khu vực Hà Tiên, Kiên Giang; thông tin kỹ thuật về vật liệu vải địa kỹ thuật và slurry; dữ liệu khảo sát công trình kè biển. Cỡ mẫu nghiên cứu là toàn bộ tuyến kè dài 5 km với các vị trí có độ sâu nước từ -0,7 m đến -2,5 m.

Phương pháp phân tích gồm:

  • Tổng hợp và phân tích cơ sở lý thuyết tính toán Geotubes dựa trên các nghiên cứu quốc tế và tiêu chuẩn ASTM.
  • Sử dụng phần mềm GeoCoPS 3.0 để tính toán áp lực bơm, lực căng vải địa kỹ thuật theo hai phương, hình dạng và kích thước ống Geotubes phù hợp với điều kiện thực tế.
  • Mô phỏng ổn định công trình kè bằng phần mềm Plaxis, đánh giá biến dạng và khả năng chịu lực của kết cấu kè trên nền đất yếu.
  • Thời gian nghiên cứu từ tháng 6 đến tháng 11 năm 2013, với các bước khảo sát, tính toán, mô phỏng và đề xuất giải pháp thiết kế, thi công.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Lực căng vải địa kỹ thuật theo phương chu vi lớn hơn phương dọc trục: Kết quả tính toán bằng GeoCoPS cho thấy lực căng theo chu vi ống đạt khoảng 87 kN/m, trong khi lực căng dọc trục chỉ khoảng 43 kN/m, cho phép lựa chọn loại vải có cường độ chịu kéo khác nhau theo hai phương để tiết kiệm chi phí.

  2. Ảnh hưởng áp lực bơm đến chiều cao và hình dạng ống: Khi áp lực bơm tăng từ 0 đến 35 kPa, chiều cao ống Geotubes tăng lên đến 87% chiều cao thiết kế, tuy nhiên áp lực vượt quá mức này không làm tăng chiều cao đáng kể mà làm tăng nguy cơ phá hoại ống. Do đó, kiểm soát áp lực bơm là yếu tố quan trọng trong thi công.

  3. Khả năng ổn định công trình kè trên nền đất yếu: Mô phỏng Plaxis cho thấy việc sử dụng Geotubes làm lõi kè kết hợp lớp phủ đá đổ bên ngoài giúp tăng cường ổn định tổng thể công trình, giảm biến dạng và hạn chế lún lớn trên nền đất yếu đặc trưng của khu vực.

  4. Giảm chiều cao ống sau khi bơm do quá trình cô kết: Theo kinh nghiệm, chiều cao ống Geotubes có thể giảm đến 50% sau một tháng bơm slurry có hạt mịn, do đó cần bơm nhiều lần để đạt chiều cao thiết kế, đặc biệt khi sử dụng vật liệu bơm có thành phần hạt nhỏ.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân lực căng theo chu vi lớn hơn dọc trục là do áp lực bơm tạo ra lực căng hướng ngang lớn hơn, điều này phù hợp với các nghiên cứu quốc tế về ứng suất trong Geotubes. Việc lựa chọn loại vải địa kỹ thuật có cường độ chịu kéo khác nhau theo hai phương giúp tiết kiệm vật liệu và chi phí sản xuất.

Kiểm soát áp lực bơm là yếu tố then chốt để đảm bảo hình dạng ống đúng thiết kế và tránh phá hoại vật liệu vải. Kết quả mô phỏng ổn định công trình bằng Plaxis tương đồng với các nghiên cứu thực tế tại các dự án lấn biển ở Malaysia và Mỹ, khẳng định hiệu quả của Geotubes trong điều kiện đất yếu.

Việc giảm chiều cao ống do cô kết đòi hỏi kế hoạch thi công linh hoạt, có thể bơm nhiều lần để đảm bảo chiều cao và ổn định công trình. So với các công trình kè truyền thống, Geotubes mang lại lợi ích về thời gian thi công nhanh, tận dụng vật liệu tại chỗ, giảm chi phí và thân thiện môi trường.

Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ tương quan giữa áp lực bơm và chiều cao ống, bảng so sánh lực căng vải theo hai phương, và biểu đồ mô phỏng biến dạng công trình kè trên nền đất yếu.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Kiểm soát chặt chẽ áp lực bơm slurry trong quá trình thi công nhằm đảm bảo chiều cao ống đạt thiết kế, tránh phá hoại vải địa kỹ thuật. Chủ thể thực hiện: nhà thầu thi công; Thời gian: suốt quá trình bơm.

  2. Lựa chọn loại vải địa kỹ thuật có cường độ chịu kéo khác nhau theo hai phương để tối ưu chi phí và đảm bảo an toàn kết cấu. Chủ thể thực hiện: đơn vị thiết kế; Thời gian: giai đoạn thiết kế.

  3. Thi công bơm nhiều lần đối với vật liệu bơm có hạt mịn để bù đắp sự giảm chiều cao ống do quá trình cô kết, đảm bảo chiều cao kè theo yêu cầu. Chủ thể thực hiện: nhà thầu thi công; Thời gian: trong giai đoạn thi công.

  4. Ứng dụng mô phỏng phần mềm Plaxis trong đánh giá ổn định công trình kè trên nền đất yếu để điều chỉnh thiết kế phù hợp với điều kiện thực tế. Chủ thể thực hiện: đơn vị tư vấn thiết kế; Thời gian: giai đoạn thiết kế và nghiệm thu.

  5. Phát triển nguồn cung vải địa kỹ thuật trong nước nhằm giảm chi phí nhập khẩu và tăng tính chủ động trong thi công các dự án tương lai. Chủ thể thực hiện: các cơ quan quản lý và doanh nghiệp sản xuất; Thời gian: dài hạn.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Các kỹ sư thiết kế công trình ven biển và sông ngòi: Nghiên cứu cung cấp cơ sở lý thuyết và phương pháp tính toán chi tiết về Geotubes, giúp lựa chọn vật liệu và thiết kế kết cấu phù hợp.

  2. Nhà thầu thi công công trình lấn biển, chống xói lở: Tham khảo quy trình thi công, kiểm soát áp lực bơm và các lưu ý kỹ thuật nhằm đảm bảo chất lượng và tiến độ công trình.

  3. Các nhà quản lý dự án và cơ quan quản lý xây dựng: Hiểu rõ ưu nhược điểm, hiệu quả kinh tế và môi trường của giải pháp Geotubes để đưa ra quyết định đầu tư hợp lý.

  4. Các nhà nghiên cứu và sinh viên chuyên ngành địa kỹ thuật xây dựng: Tài liệu tham khảo phong phú về lý thuyết, phương pháp tính toán và ứng dụng thực tiễn Geotubes trong điều kiện đất yếu.

Câu hỏi thường gặp

  1. Geotubes là gì và ứng dụng chính của nó trong xây dựng kè biển?
    Geotubes là túi địa kỹ thuật dạng ống được may từ vải địa kỹ thuật dệt cường độ cao, dùng để chứa slurry (cát, đất bùn) nhằm tạo thành kết cấu chống xói lở bờ biển và bờ sông. Ứng dụng chính là làm lõi kè biển, kè sông và đê ngầm, giúp tăng ổn định công trình trên nền đất yếu.

  2. Làm thế nào để tính toán áp lực bơm và lực căng vải địa kỹ thuật trong Geotubes?
    Sử dụng phần mềm GeoCoPS dựa trên các tham số như chu vi ống, chiều cao ống, trọng lượng slurry và mực nước bên ngoài để tính toán áp lực bơm cần thiết và lực căng vải theo hai phương chu vi và dọc trục, từ đó lựa chọn loại vải phù hợp.

  3. Tại sao cần kiểm soát áp lực bơm slurry trong quá trình thi công?
    Áp lực bơm quá cao có thể làm phá hoại vải địa kỹ thuật, gây rách ống và mất ổn định kết cấu. Áp lực quá thấp không đủ để đạt chiều cao ống thiết kế, ảnh hưởng đến hiệu quả chống xói lở.

  4. Geotubes có ưu điểm gì so với các phương pháp kè truyền thống?
    Geotubes thi công nhanh, tận dụng vật liệu tại chỗ, giảm chi phí xây dựng, thân thiện môi trường và phù hợp với nền đất yếu do trọng lượng nhẹ, giảm độ lún công trình.

  5. Làm thế nào để xử lý hiện tượng giảm chiều cao ống do cô kết slurry?
    Cần bơm slurry nhiều lần để bù đắp sự giảm chiều cao do cô kết, đặc biệt khi sử dụng vật liệu bơm có hạt mịn. Việc này đảm bảo chiều cao ống đạt yêu cầu thiết kế và duy trì ổn định công trình.

Kết luận

  • Geotubes là giải pháp kỹ thuật hiệu quả, thân thiện môi trường và kinh tế trong xây dựng kè biển tại Kiên Giang và các vùng đất yếu phía Nam.
  • Phần mềm GeoCoPS và Plaxis là công cụ quan trọng giúp tính toán áp lực bơm, lực căng vải và mô phỏng ổn định công trình, đảm bảo thiết kế chính xác và an toàn.
  • Kiểm soát áp lực bơm và lựa chọn loại vải địa kỹ thuật phù hợp là yếu tố then chốt trong thi công Geotubes.
  • Giải pháp bơm nhiều lần slurry giúp khắc phục hiện tượng giảm chiều cao ống do cô kết, đảm bảo hiệu quả công trình.
  • Đề xuất phát triển nguồn cung vải địa kỹ thuật trong nước và ứng dụng rộng rãi Geotubes trong các dự án kè biển, lấn biển tương lai.

Tiếp theo, các đơn vị thiết kế và thi công nên áp dụng các kết quả nghiên cứu để triển khai thực tế, đồng thời tiếp tục nghiên cứu mở rộng ứng dụng Geotubes trong các điều kiện địa chất khác nhau. Để biết thêm chi tiết và hỗ trợ kỹ thuật, liên hệ các chuyên gia địa kỹ thuật xây dựng hoặc các viện nghiên cứu chuyên ngành.