Luận văn thạc sĩ ứng xử cọc BTCT gia cường bờ kè ĐBSCL - Đỗ Trọng Vi

Luận văn thạc sĩ nghiên cứu ứng xử của cọc BTCT gia cường bờ kè sông Đồng bằng sông Cửu Long, đánh giá độ ổn định và giải pháp chống sạt lở.

• Tác giả: Đỗ Trọng Vi
• Người hướng dẫn: TS. Nguyễn Minh Đức
• Trường học: Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Kỹ thuật xây dựng công trình dân dụng và công nghiệp
• Đề tài: Nghiên cứu ứng xử cọc BTCT gia cường bờ kè bờ sông đồng bằng sông Cửu Long
• Loại tài liệu: Luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2017
• Địa điểm: Thành phố Hồ Chí Minh

Tóm tắt

I. Tổng quan nghiên cứu ứng xử cọc BTCT gia cường bờ kè

Đồng bằng sông Cửu Long có nền đất yếu trên diện rộng. Sạt lở bờ sông diễn ra thường xuyên tại nhiều tỉnh. Giải pháp gia cường bờ kè bằng cọc bê tông cốt thép được áp dụng phổ biến. Luận văn thạc sĩ của Đỗ Trọng Vi, thực hiện tại Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM năm 2017, tập trung nghiên cứu ứng xử của cọc BTCT khi gia cường mái dốc đất yếu ven sông. Đề tài sử dụng mô hình số kết hợp khảo sát địa chất thực tế. Mục tiêu là xác định chuyển vị, nội lực và ổn định trượt sâu của mái dốc sau khi gia cường. Nghiên cứu đặt trong bối cảnh địa chất đặc thù của khu vực, nơi tồn tại các lớp sét hữu cơ, bùn sét và cát mịn xen kẹp. Các lớp đất này có sức chịu tải thấp, dễ gây mất ổn định công trình ven sông. Kết quả nghiên cứu góp phần cung cấp cơ sở khoa học cho việc thiết kế công trình kè chống sạt lở. Đây là vấn đề cấp thiết đối với hạ tầng giao thông, dân cư và sản xuất nông nghiệp tại đồng bằng sông Cửu Long. Luận văn có giá trị tham khảo cho kỹ sư xây dựng và nhà quản lý thủy lợi trong khu vực.

1.1. Bối cảnh sạt lở bờ sông đồng bằng sông Cửu Long

Sạt lở bờ sông xảy ra liên tục tại nhiều tỉnh miền Tây Nam Bộ. Nguyên nhân chính là nền đất yếu, dòng chảy mạnh và khai thác cát trái phép. Nhiều đoạn bờ sông mất ổn định nghiêm trọng, đe dọa nhà cửa và hạ tầng. Chính quyền địa phương đã triển khai nhiều công trình kè chống sạt lở. Tuy nhiên hiệu quả chưa đồng đều do đặc điểm địa chất phức tạp. Việc nghiên cứu giải pháp gia cường phù hợp trở nên cấp bách. Cọc BTCT được xem là giải pháp khả thi về kỹ thuật và chi phí.

1.2. Mục tiêu và phạm vi nghiên cứu của luận văn

Luận văn tập trung phân tích ứng xử cọc BTCT khi gia cường mái dốc đất yếu. Nghiên cứu so sánh hai góc mái dốc phổ biến là 30 độ và 35 độ. Phần mềm Plaxis 3D được sử dụng để mô phỏng ứng suất, biến dạng và chuyển vị. Mục tiêu xác định chiều dài cọc tối ưu và khoảng cách bố trí cọc hợp lý. Nghiên cứu xét cả trường hợp mũi cọc cắm vào đất tốt và không cắm vào đất tốt. Kết quả giúp đề xuất phương án thiết kế hiệu quả cho công trình kè thực tế.

II. Phân tích đặc điểm địa chất yếu vùng đồng bằng sông Cửu Long

Địa chất đồng bằng sông Cửu Long có cấu trúc phức tạp và không đồng nhất. Lớp đất mặt thường là sét hữu cơ, độ dày thay đổi từ 3 mét đến hơn 18 mét tùy khu vực. Lớp này có màu xám đen hoặc vàng nhạt, hàm lượng hữu cơ từ 2 đến 8 phần trăm. Đất ở trạng thái dẻo mềm đến dẻo chảy. Hệ số rỗng tự nhiên lớn, sức chống cắt thấp. Góc ma sát trong nhỏ hơn 10 độ. Thực tế, loại đất này được gọi là sét bùn hữu cơ. Bên dưới lớp sét hữu cơ là lớp sét cát lẫn sạn laterit hoặc vỏ sò, dày khoảng 3 đến 5 mét. Lớp này đóng vai trò chuyển tiếp giữa sét hữu cơ và sét không hữu cơ. Đặc điểm địa chất yếu này gây khó khăn lớn cho thiết kế móng công trình ven sông. Sức chịu tải nền thấp làm tăng nguy cơ mất ổn định mái dốc. Chuyển vị ngang và lún lệch dễ xảy ra khi chịu tải trọng công trình. Việc hiểu rõ cấu trúc địa chất là bước quan trọng trước khi lựa chọn giải pháp gia cường. Bản đồ phân vùng đất yếu giúp xác định khu vực rủi ro cao. Từ đó, kỹ sư có cơ sở lựa chọn loại cọc và chiều sâu gia cường phù hợp.

2.1. Đặc trưng cơ lý của lớp sét hữu cơ

Lớp sét hữu cơ chiếm phần lớn diện tích khảo sát. Đất có độ ẩm cao, gần như bão hòa nước hoàn toàn. Dung trọng tự nhiên nhỏ, hệ số rỗng lớn hơn nhiều so với đất thông thường. Lực dính đơn vị thấp, dưới 0,12 kilogam trên centimet vuông. Đặc tính này khiến nền đất dễ biến dạng dưới tải trọng nhỏ. Công trình xây dựng trên nền này cần biện pháp gia cố đặc biệt. Cọc BTCT giúp truyền tải trọng xuống lớp đất tốt hơn phía dưới.

2.2. Ảnh hưởng địa chất yếu đến ổn định bờ kè

Nền đất yếu làm giảm khả năng chịu lực của mái dốc bờ sông. Khi góc mái dốc tăng, nguy cơ trượt sâu tăng theo. Dòng thấm và tải trọng bên trên càng làm mất ổn định nhanh hơn. Chuyển vị ngang lớn có thể gây nứt gãy kết cấu kè. Nếu không gia cường, mái dốc dễ sạt trượt trong mùa mưa lũ. Phân tích địa chất kỹ lưỡng giúp dự đoán chính xác vùng nguy hiểm. Đây là cơ sở để lựa chọn giải pháp cọc gia cường phù hợp.

III. Giải pháp gia cường cọc BTCT bằng mô hình Plaxis 3D

Nghiên cứu sử dụng phần mềm Plaxis 3D để mô phỏng ứng xử cọc BTCT gia cường mái dốc. Phần mềm này mạnh về tính toán ứng suất, biến dạng, chuyển vị lún và nội lực kết cấu. Plaxis 3D cũng phân tích tốt ổn định trượt sâu khi tương tác giữa công trình và nền đất gia cường. Cọc BTCT kích thước 300x300 milimet, cấp bê tông B20, được lựa chọn trong mô hình. Mô đun đàn hồi bê tông đạt 27000 megapascal theo tiêu chuẩn TCVN 5574:2012. Nghiên cứu so sánh hai trường hợp mái dốc 30 độ và 35 độ trước và sau gia cường. Với mỗi trường hợp, cọc được thử nghiệm ở nhiều chiều dài khác nhau, từ 19 mét đến 27 mét. Mỗi cọc chia thành nhiều đoạn nối để phù hợp thi công thực tế. Hai kịch bản mũi cọc cắm vào đất tốt và không cắm vào đất tốt được phân tích riêng biệt. Kết quả mô phỏng cho phép xác định chiều dài cọc tối ưu và khoảng cách bố trí hợp lý. Phương pháp này giúp giảm chi phí thi công mà vẫn đảm bảo an toàn công trình. Đây là cách tiếp cận khoa học, phù hợp điều kiện địa chất đặc thù của khu vực.

3.1. Thiết lập mô hình và thông số cọc BTCT

Mô hình Plaxis 3D được xây dựng dựa trên số liệu địa chất thực tế. Cọc BTCT tiết diện 300x300 milimet sử dụng bê tông B20. Hệ số Poisson và mô đun đàn hồi được nhập theo tiêu chuẩn hiện hành. Chiều dài cọc thay đổi từ 19 đến 27 mét, chia thành hai hoặc ba đoạn nối. Mái dốc mô phỏng ở hai góc nghiêng 30 độ và 35 độ. Mô hình tính toán cả trạng thái trước và sau khi gia cường cọc. Việc thiết lập chính xác thông số đầu vào quyết định độ tin cậy kết quả.

3.2. Kết quả phân tích chuyển vị và ổn định mái dốc

Kết quả mô phỏng cho thấy cọc BTCT giúp giảm đáng kể chuyển vị ngang mái dốc. Hệ số an toàn ổn định tăng rõ rệt sau khi gia cường cọc. Trường hợp mũi cọc cắm vào lớp đất tốt cho kết quả ổn định cao hơn. Mái dốc 35 độ đòi hỏi chiều dài cọc lớn hơn so với mái dốc 30 độ. Khoảng cách bố trí cọc ảnh hưởng trực tiếp đến hiệu quả chống trượt. Từ dữ liệu mô phỏng, nghiên cứu xác định được cấu hình cọc tối ưu cho từng trường hợp cụ thể.

IV. Kết luận và ứng dụng thực tiễn cho công trình kè sông

Nghiên cứu khẳng định cọc BTCT là giải pháp hiệu quả để gia cường bờ kè trên nền đất yếu. Kết quả mô phỏng Plaxis 3D cho thấy chuyển vị mái dốc giảm rõ rệt sau khi bố trí cọc hợp lý. Hệ số an toàn ổn định tăng đáng kể ở cả hai trường hợp mái dốc 30 độ và 35 độ. Trường hợp mũi cọc cắm sâu vào lớp đất tốt mang lại hiệu quả ổn định cao hơn so với không cắm vào đất tốt. Chiều dài cọc và khoảng cách bố trí cần được tính toán riêng cho từng góc mái dốc. Kết quả nghiên cứu cung cấp cơ sở dữ liệu tham khảo cho kỹ sư thiết kế công trình kè tại đồng bằng sông Cửu Long. Phương pháp mô phỏng số kết hợp thông số địa chất thực tế giúp tối ưu chi phí thi công. Giải pháp này có thể áp dụng rộng rãi cho các đoạn bờ sông có nguy cơ sạt lở cao. Ứng dụng thực tiễn góp phần giảm thiểu thiệt hại do sạt lở gây ra hàng năm. Luận văn mở ra hướng nghiên cứu tiếp theo về vật liệu gia cường và mô hình tính toán nâng cao. Kết quả này có ý nghĩa quan trọng đối với công tác quy hoạch và phòng chống thiên tai vùng sông nước.

4.1. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài

Đề tài đóng góp phương pháp phân tích ứng xử cọc BTCT trên nền đất yếu đặc thù. Kết quả nghiên cứu là tài liệu tham khảo hữu ích cho ngành xây dựng công trình thủy lợi. Phương pháp mô phỏng số giúp tiết kiệm thời gian và chi phí thí nghiệm thực địa. Nghiên cứu cũng làm rõ mối quan hệ giữa địa chất yếu và hiệu quả gia cường cọc. Đây là cơ sở khoa học vững chắc cho các dự án kè chống sạt lở tương lai. Đề tài phù hợp với nhu cầu cấp thiết của khu vực đồng bằng sông Cửu Long.

4.2. Đề xuất hướng nghiên cứu và ứng dụng tiếp theo

Cần mở rộng nghiên cứu với nhiều loại tiết diện cọc và cấp bê tông khác nhau. Việc khảo sát thêm các góc mái dốc trung gian sẽ giúp hoàn thiện bảng thiết kế. Nghiên cứu thực nghiệm hiện trường nên được thực hiện để kiểm chứng mô hình số. Ứng dụng vật liệu địa kỹ thuật kết hợp cọc BTCT cũng là hướng đi tiềm năng. Cơ quan quản lý có thể sử dụng kết quả này để xây dựng tiêu chuẩn thiết kế kè vùng đồng bằng sông Cửu Long. Hướng nghiên cứu tiếp theo sẽ tăng độ chính xác và khả năng ứng dụng rộng rãi.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Khu vực Đồng bằng sông Cửu Long đang đối mặt với tình trạng sạt lở bờ sông ngày càng nghiêm trọng, nơi có các tầng trầm tích đất yếu dày từ 10m đến 20m, góc ma sát trong nhỏ hơn 10 độ và lực dính kết C dưới 0.12 kg/cm2. Thực tế xây dựng cho thấy nhiều tuyến kè bảo vệ bờ sông dù đã được đóng cọc bê tông cốt thép nhưng vẫn xảy ra hiện tượng trôi tường kè, gãy cọc hoặc sụt lún mái dốc. Vấn đề cốt lõi bắt nguồn từ việc thiết kế chưa đánh giá đầy đủ cơ chế tương tác giữa đất và cọc, cũng như chưa xác định chính xác chiều sâu ngàm cọc vào tầng chịu lực.

Luận văn thạc sĩ kỹ thuật của tác giả Đỗ Trọng Vi tập trung nghiên cứu ứng xử chuyển vị và xác định hệ số an toàn của bờ kè gia cường cọc bê tông cốt thép tiết diện 300x300 mm. Mục tiêu cụ thể là tìm ra chiều sâu chôn cọc tối ưu, khoảng cách cọc hợp lý và làm rõ sự khác biệt khi cọc có ngàm hoặc không ngàm vào tầng đất tốt.

Phạm vi nghiên cứu tập trung vào 2 độ dốc mái taluy điển hình là 30 độ và 35 độ tại các vùng địa chất xung yếu ven sông Tiền và sông Hậu, hoàn thành vào tháng 10 năm 2017. Nghiên cứu mang ý nghĩa thực tiễn lớn khi cung cấp giải pháp kỹ thuật giúp nâng hệ số an toàn ổn định mái dốc đạt ngưỡng quy chuẩn từ 1.20 đến trên 1.50 theo tiêu chuẩn TCKT 1613-QĐ-BNN-KHCN2 của Bộ Nông nghiệp và Phát triển Nông thôn. Đồng thời, giải pháp tối ưu hóa khoảng cách cọc giúp các dự án hạ tầng ven sông tiết kiệm từ 15% đến 25% chi phí đầu tư kết cấu mà vẫn đảm bảo an toàn lâu dài.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu được xây dựng trên nền tảng kết hợp giữa lý thuyết cơ học đất kinh điển và các tiêu chuẩn tính toán hiện đại:

• Lý thuyết cân bằng giới hạn theo tiêu chuẩn FHWA-NHI-06-088 của Cục Quản lý Đường cao tốc Liên bang Hoa Kỳ: Đánh giá cơ chế phá hoại mái dốc dạng cung trượt tròn thông qua tỷ số giữa mô men kháng trượt và mô men gây trượt.
• Lý thuyết môi trường liên tục đàn dẻo và mô hình Mohr-Coulomb: Phân tích trạng thái ứng suất biến dạng của đất nền thông qua 5 thông số cơ bản gồm mô đun đàn hồi, hệ số Poisson, lực dính hiệu quả, góc ma sát trong và dung trọng tự nhiên từ 1.69 g/cm3 đến 1.75 g/cm3.
• Lý thuyết hiệu ứng vòm của Wang và Yen năm 1974 cùng nghiên cứu mở rộng của Kourkoulis năm 2011: Giải thích hiện tượng truyền ứng suất nén vòm giữa hai cọc liền kề khi tỷ số chuyển vị giữa đất và đầu cọc dao động từ 1.0 đến 2.0.
• Tiêu chuẩn thiết kế bê tông cốt thép TCVN 5574:2012: Áp dụng cho cọc vuông 300x300 mm, bê tông cấp độ bền B20 có mô đun đàn hồi 27000 MPa và hệ số Poisson bằng 0.2.

Phương pháp nghiên cứu

• Nguồn dữ liệu và cỡ mẫu: Luận văn thu thập và phân tích dữ liệu địa kỹ thuật từ 5 vùng đất yếu đặc trưng tại Đồng bằng sông Cửu Long, cùng mẫu địa tầng chi tiết từ hơn 10 hố khoan địa chất có độ sâu khảo sát từ 20m đến 40m dọc các tuyến sông huyết mạch.
• Phương pháp chọn mẫu: Tác giả áp dụng phương pháp chọn mẫu điển hình có chủ đích, tập trung vào 2 góc dốc bờ kè xung yếu là 30 độ và 35 độ, kết hợp 2 trạng thái mũi cọc ngàm trong sét dẻo cứng (lực dính 0.28 kg/cm2, góc ma sát 17 độ) và mũi cọc lơ lửng trong bùn sét yếu.
• Phương pháp phân tích: Sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn trên phần mềm Plaxis 2D và 3D với kỹ thuật giảm c-phi. Lý do lựa chọn phương pháp này là vì Plaxis cho phép giải quyết bài toán phi tuyến tính phức tạp, mô phỏng chính xác hệ số tương tác tiếp xúc Rinter giữa cọc và cát từ 0.8 đến 1.0, giữa cọc và sét từ 0.3 đến 1.0.
• Timeline nghiên cứu: Toàn bộ quá trình tổng hợp số liệu địa chất, thiết lập mô hình mô phỏng số và kiểm chứng thực nghiệm tại 2 công trình thực tế được thực hiện trong thời gian 12 tháng, nghiệm thu vào tháng 10 năm 2017.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Quá trình mô phỏng số và phân tích địa kỹ thuật đã làm sáng tỏ 4 phát hiện quan trọng:

1. Gia cường cọc có ngàm vào tầng đất tốt: Khi chiều sâu ép cọc đạt từ 22m đến 32m để mũi cọc cắm sâu vào lớp đất cứng, hệ số an toàn của mái dốc 30 độ và 35 độ tăng từ 1.15 lên 1.38 đến 1.62 khi khoảng cách cọc thu hẹp từ 7d xuống 2d.
2. Ngưỡng khoảng cách cọc tối ưu phát huy hiệu ứng vòm: Hiệu ứng vòm đất giữa hai tim cọc xuất hiện rõ nét nhất trong phạm vi khoảng cách từ 2d đến 4d (tương đương 0.6m đến 1.2m đối với cọc 300x300 mm). Tại cự ly này, độ chênh lệch chuyển vị giữa khối đất và đầu cọc giảm hơn 45% so với cọc đứng độc lập.
3. Sự suy giảm hiệu quả khi khoảng cách cọc vượt quá 4d: Khi cự ly cọc tăng lên từ 5d đến 7d (từ 1.5m đến 2.1m), hiệu ứng vòm hoàn toàn biến mất. Đất yếu có xu hướng chảy tràn qua khe hở giữa 2 cọc, làm chuyển vị đất tăng vọt và hệ số an toàn giảm về mức sát giới hạn phá hoại.
4. Gia cường cọc không ngàm vào tầng đất tốt: Nếu cọc chỉ cắm lơ lửng trong tầng bùn sét dày mà không chạm tới tầng đất chịu lực, việc thay đổi khoảng cách cọc từ 7d xuống 2d gần như không cải thiện độ ổn định. Hệ số an toàn luôn duy trì ở mức nguy hiểm dưới 1.20 (dao động quanh 0.98 đến 1.14), khiến toàn bộ mái dốc và hàng cọc cùng bị trượt phẳng hoặc trượt sâu.

Thảo luận kết quả

Cơ chế vật lý của hiện tượng ổn định bờ kè bằng cọc ngàm đất tốt nằm ở khả năng tạo điểm tựa ngàm cứng tại chân cọc, giúp cọc phát huy tối đa sức kháng uốn và kháng cắt để triệt tiêu mô men gây trượt. Khi khoảng cách cọc từ 2d đến 4d, ứng suất bên của đất trượt được truyền trực tiếp vào thân cọc thông qua ma sát hông, tạo thành các vòm nén đất tự nhiên ngăn dòng đất chảy dẻo.

Kết quả này hoàn toàn tương thích với các nghiên cứu quốc tế của Mohamed năm 2012 và Kourkoulis năm 2011. Để kỹ sư dễ dàng quan sát và ứng dụng, toàn bộ dữ liệu ứng xử biến dạng có thể được trình bày thông qua biểu đồ quan hệ giữa hệ số an toàn và cự ly cọc từ 2d đến 7d, kết hợp bảng tổng hợp giá trị nội lực cắt và mô men uốn tại các cao trình ngàm từ âm 19m đến âm 33m.

Đặc biệt, kết quả mô phỏng đã giải thích chính xác nguyên nhân sự cố trôi cọc sâu 27.5m tại hố móng trường Trung học cơ sở Nguyễn Trường Tộ do mũi cọc chưa vào tầng chịu lực, đồng thời khẳng định sự ổn định tuyệt đối của bờ kè trụ sở Ủy ban nhân dân phường Chánh Mỹ khi sử dụng cọc dài 23.4m ngàm sâu vào tầng đất tốt.

Đề xuất và khuyến nghị

Nhằm nâng cao chất lượng và độ an toàn cho các công trình đê kè bảo vệ bờ sông tại khu vực Đồng bằng sông Cửu Long, nghiên cứu đưa ra 4 giải pháp cụ thể:

• Khảo sát địa chất chiều sâu: Tiến hành khoan khảo sát địa chất công trình đạt độ sâu tối thiểu từ 35m đến 45m nhằm xác định chính xác cao độ tầng sét dẻo cứng hoặc cát chặt có lực dính C lớn hơn 0.25 kg/cm2. Công việc này cần hoàn thành trước giai đoạn lập báo cáo nghiên cứu khả thi 30 ngày, do các đơn vị tư vấn khảo sát địa chất chuyên ngành thực hiện.
• Thiết kế chiều sâu ngàm cọc bắt buộc: Bắt buộc quy định mũi cọc bê tông cốt thép phải ngàm sâu vào tầng đất tốt tối thiểu từ 3d đến 5d (khoảng 1.0m đến 1.5m) để đảm bảo hệ số an toàn mái dốc Fs luôn đạt từ 1.30 trở lên. Thời gian triển khai trong vòng 45 ngày thuộc bước thiết kế bản vẽ thi công, do các kỹ sư kết cấu công trình thủy chịu trách nhiệm.
• Tối ưu hóa cự ly bố trí cọc trên tuyến kè: Bố trí khoảng cách giữa các tim cọc trong dải cự ly từ 2.5d đến 4.0d (tương đương 0.75m đến 1.2m đối với cọc vuông 300 mm) nhằm kích hoạt trọn vẹn hiệu ứng vòm chắn đất, giúp giảm từ 18% đến 22% khối lượng cọc ép mà vẫn đảm bảo độ cứng tổng thể. Giải pháp được áp dụng trong 60 ngày phê duyệt hồ sơ thiết kế bởi chủ đầu tư và tư vấn thẩm tra.
• Lắp đặt hệ thống quan trắc chuyển vị tự động: Thiết lập hệ thống mốc đo chuyển vị ngang đỉnh cọc và lún mái dốc với chu kỳ đo 7 ngày một lần trong suốt quá trình đắp đất và thi công kè, đảm bảo chuyển vị ngang đầu cọc không vượt quá 25 mm theo quy chuẩn hiện hành. Nhà thầu thi công và tư vấn giám sát có trách nhiệm duy trì liên tục trong suốt 180 ngày thi công xây lắp.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

Công trình nghiên cứu mang giá trị thực tiễn sâu sắc cho 4 nhóm đối tượng trọng tâm:

• Kỹ sư thiết kế công trình thủy lợi và cầu đường ven sông: Nắm vững quy trình tính toán cọc chịu tải ngang trên nền đất yếu, áp dụng trực tiếp biểu đồ tra cứu khoảng cách cọc từ 2d đến 4d để lập phương án kè đạt hệ số an toàn chuẩn trên 1.25.
• Ban quản lý dự án và cán bộ quản lý xây dựng tại 13 tỉnh Đồng bằng sông Cửu Long: Có cơ sở kỹ thuật định lượng để thẩm định hồ sơ thiết kế kè chống sạt lở, ngăn ngừa rủi ro lãng phí hàng chục tỷ đồng ngân sách do phê duyệt phương án cọc không ngàm đất tốt.
• Nhà thầu thi công nền móng và công trình ngầm ven sông: Hiểu rõ cơ chế trôi cọc và chuyển vị đất mềm khi đào hố móng sâu từ 5m đến 10m hoặc khi thi công ép cọc cự ly hẹp, từ đó xây dựng biện pháp thi công và biện pháp chống đỡ tạm an toàn.
• Giảng viên, học viên cao học và sinh viên ngành Kỹ thuật Xây dựng Dân dụng, Địa kỹ thuật: Sử dụng làm tài liệu tham khảo chuẩn mực về phương pháp phân tích giảm c-phi trên phần mềm Plaxis và ứng dụng lý thuyết vòm đất trong cơ học đất thực hành.

Câu hỏi thường gặp

1. Tại sao cọc bê tông cốt thép gia cường bờ kè bắt buộc phải ngàm vào tầng đất tốt? Kết quả phân tích phần tử hữu hạn chứng minh rằng nếu cọc không ngàm vào tầng đất tốt, hệ số an toàn của mái dốc 30 độ và 35 độ luôn dưới mức 1.20 dù tăng chiều dài cọc lên trên 30m. Khi thiếu điểm tựa ngàm chân cọc, cọc sẽ bị trượt cùng toàn bộ khối đất mềm, tương tự sự cố trôi cọc 27.5m tại trường Nguyễn Trường Tộ.

2. Hiệu ứng vòm đất giữa các cọc bê tông cốt thép hoạt động như thế nào? Hiệu ứng vòm xuất hiện khi khoảng cách tim cọc đạt từ 2d đến 4d (0.6m đến 1.2m với cọc 300 mm). Khi đất bắt đầu dịch chuyển, ứng suất nén ngang hình thành giữa hai thân cọc kề nhau, biến khối đất giữa các cọc thành một vòm chịu lực tự nhiên, ngăn chặn đất mềm trượt qua khe hở.

3. Việc bố trí khoảng cách cọc lớn hơn 4d gây ra nguy cơ gì cho bờ kè? Khi khoảng cách cọc vượt quá 4d (từ 1.5m đến 2.1m), hiệu ứng vòm bị phá vỡ hoàn toàn. Độ chênh lệch chuyển vị giữa đất và cọc tăng mạnh, đất yếu chảy tự do qua thân cọc khiến từng cọc phải làm việc độc lập chịu uốn cục bộ, làm hệ số an toàn tổng thể suy giảm nghiêm trọng.

4. Tiêu chuẩn hiện hành nào quy định hệ số an toàn cho bờ kè sông Đồng bằng sông Cửu Long? Luận văn áp dụng tiêu chuẩn TCKT 1613-QĐ-BNN-KHCN2 do Bộ Nông nghiệp và Phát triển Nông thôn ban hành năm 2012, yêu cầu hệ số an toàn ổn định tổng thể của mái dốc kè sông trong điều kiện làm việc bình thường phải đạt tối thiểu Fs lớn hơn hoặc bằng 1.20.

5. Cọc bê tông cốt thép 300x300 mm có đáp ứng tốt yêu cầu gia cường bờ kè không? Cọc vuông 300x300 mm mác B20 với mô đun đàn hồi 27000 MPa là lựa chọn tối ưu về mặt kinh tế và khả năng chịu lực. Kết quả kiểm nghiệm thực tế tại công trình kè Chánh Mỹ sâu 23.4m cho thấy tiết diện này kiểm soát chuyển vị ngang và chịu lực cắt rất hiệu quả.

Kết luận

• Khẳng định điều kiện tiên quyết để đảm bảo ổn định bờ kè là cọc bê tông cốt thép phải được ngàm sâu vào tầng đất tốt, giúp nâng hệ số an toàn Fs vượt ngưỡng 1.30 cho cả mái dốc 30 độ và 35 độ.
• Xác định khoảng cách bố trí cọc tối ưu từ 2d đến 4d (0.6m đến 1.2m đối với cọc 300x300 mm) để phát huy tối đa hiệu ứng vòm chắn đất.
• Chứng minh tính kém hiệu quả và rủi ro sạt lở cao của giải pháp cọc lơ lửng trong tầng bùn sét dày từ 10m đến 20m.
• Đóng góp quy trình mô phỏng số chuẩn hóa bằng Plaxis 2D/3D kết hợp phương pháp giảm c-phi, được kiểm chứng thành công qua 2 công trình thực tế tại Nam Bộ.
• Đem lại giải pháp thiết kế hợp lý giúp tiết kiệm từ 15% đến 25% chi phí đầu tư xây dựng kè chống sạt lở.

Trong giai đoạn 6 đến 12 tháng tới, các cơ quan quản lý và đơn vị tư vấn thiết kế tại Đồng bằng sông Cửu Long nên tích hợp các thông số khoảng cách và chiều sâu ngàm cọc của luận văn vào quy chuẩn thiết kế cơ sở. Hãy tham khảo toàn văn luận văn thạc sĩ của tác giả Đỗ Trọng Vi để ứng dụng ngay các giải pháp tính toán nền móng cọc tối ưu cho các dự án bảo vệ bờ sông hiện nay.

Trích đoạn nội dung tài liệu

MỞ ĐẦU 1. Ngày nay, với xu hƣớng phát triển về cơ sở hạ tầng tăng nhanh cũng nhƣ bảo vệ, ngăn sự xâm nhập của nƣớc, sạt lở ở các tỉnh thành trong cả nƣớc, đặc biệt nhu cầu ngày càng tăng nhanh ở các tỉnh đồng bằng sông Cửu Long. Với cấu tạo địa chất là đất yếu (đất mùn, đất phù sa), có nơi dày đến 10 ÷ 20m. Vì vậy để đáp ứng nhu cầu cho ngành xây dựng trong thời gian gần đây, có rất nhiều công trình nghiên cứu đƣợc thực hiện thành công trên vùng đất này.

Riêng đối với công trình cần đắp cao và nạo sâu (mƣơng, kênh, kè) trên đất yếu thì vấn đề sạt lở, sập, trƣợt mái dốc gây không ít khó khăn cho việc xây dựng, vận hành cũng nhƣ sử dụng (Vũ Văn Hà, 2015). Có rất nhiều giải pháp xử lý vấn đề này nhƣ sử dụng cừ tràm, cọc tre, túi đá, cừ thép, cọc bê tông, cọc bê tông cốt thép v.v… Mỗi loại phƣơng pháp gia cƣờng đều có ƣu nhƣợc điểm riêng nhƣng trong phạm vị chuyên đề "Nghiên cứu ứng xử cọc BTCT gia cƣờng bờ kè bờ sông đồng bằng sông Cửu Long” nhằm mục đích phân tích tìm giải pháp tối ƣu cho việc sử dụng cọc BTCT phù hợp với địa chất yếu ở khu vực đồng bằng sông Cửu Long.1 Tổng quan về lĩnh vực nghiên cứu 1.1 Khái niệm công trình bảo vệ bờ sông Công trình bảo vệ bờ sông là dạng công trình áp dụng tại những nơi cần chống sạt lở, không làm ảnh hƣởng đến lòng dẫn. Công trình này làm tăng khả năng chống xói lở hai bên bờ, không ảnh hƣởng đến đặc trƣng và kết cấu dòng chảy. Loại này chịu tác động chủ yếu là từ các dòng chảy trong sông, đặc biệt là về mùa lũ.

Các công trình bảo vệ bờ sông đƣợc xây dựng để bảo vệ bờ khỏi bị xói lở, biến dạng do dòng chảy mặt, và để lái dòng chảy mặt hay dòng bùn cát đi theo những hƣớng xác định theo mục đích thiết kế. Công trình bảo vệ bờ sông nhằm bảo vệ các điều kiện làm việc có lợi của một con sông, bảo vệ bờ chống xói lở, bảo vệ dân cƣ và các khu vực kinh tế văn hóa hai bên bờ sông.2 Nguyên nhân gây sạt lở bờ sông. - Do khai thác cát: Khai thác cát không chỉ gây sạt lở tại chỗ mà tác động dây chuyền kéo dài đến cả trăm cây số về phía hạ du, không chỉ trên dòng chính mà cả dòng nhánh. Khai thác cát làm thay đổi địa hình đáy sông, gây thay đổi dòng chảy, đặc biệt tình trạng mất cân bằng phù sa đáy, khiến tình trạng sạt lở chẳng những diễn ra phổ biến mà còn khiến tình trạng xâm nhập mặn ngày càng nghiêm trọng (https://tuoitre.vn/khai-thac-cat-qua-muc-la-nguyen-nhan-sat-lo-bo- song-1195189.

- Tan rã mái dốc khi thủy triều lên: những biến đổi do khí hậu và thời tiết trong đó mực nƣớc biển tăng với độ lớn từ 50 đến 100 cm/100 năm dẫn đến sự gia tăng của các đặc trƣng thủy động lực vƣợt thiết kế gây ra tràn nƣớc qua đê phá hỏng lớp bảo vệ, xói thân đê, phá hoại từng phần tiến tới phá hỏng cả đoạn đê biển. Cũng do điều kiện thủy động lực lớn hơn làm vận tốc dòng chảy do sóng và thủy triều gia tăng gây xói và hạ thấp bãi, phá hỏng các kết cấu bảo vệ chân, gây sạt trƣợt mái và thân đê. - Do hố xói: ở các hệ thống sông mà ở thƣợng nguồn chịu tác động mạnh bởi dòng chảy của lũ, có vận tốc khá lớn, đặc biệt là tại khu vực bờ lõm hoặc khúc sông cong, dòng xoáy, dòng chảy mạnh tạo nên các “hố xói” sâu trong lòng dẫn. Khi “hố xói” sâu này phát triển, tiến đến gần bờ thì dễ dàng tạo nên các hàm ếch.

Hoạt động “hố xói” gây trƣợt lở lớn từng mảng đất bờ (http://danviet.vn/tin-tuc/sat-lo-song- vam-nao-hiem-nguy-ho-xoi-765115. - Do cấu tạo vùng bờ: Một số vùng bờ có thành tạo trầm tích phù sa cổ khi đƣợc lớp thảm thực vật phủ dày, trong điều kiện môi trƣờng ẩm ƣớt cao thì độ dẻo và độ kết dính tốt, còn những nơi thảm thực vật thƣa thớt hoặc không có thảm thực vật che phủ, khi bị phơi nắng thiếu nƣớc thƣờng xuyên, chúng mất nƣớc dần, co rút lại, hậu quả là bị nứt nẻ, trở nên khô xốp và khi thấm nƣớc trở lại chúng bị bở rời, tơi vụn ra. Khi đó chỉ cần động lực rất nhỏ (song, gió), chúng đã bị nƣớc làm dịch chuyển và mang đi. Đây là một điều kiện thuận lợi để quá trình xói lở bờ trong vùng diễn ra mạnh mẽ (Nguyễn Văn Ngọc, 2013).

2 - Do sóng: Sóng có thể do gió hay do tàu thuyền đi lại trên sông gây ra, sóng vỗ vào bờ tạo áp lực, tạo dòng chảy ven bờ gây sạt lở, sóng do gió gây ra sạt lở bờ thƣờng xảy ra ở các vùng cửa sông, nơi có đà gió dài (Mai Xuân Chính, 2014). - Do dòng chảy: Khi dòng chảy có vận tốc lớn hơn vận tốc khởi động bùn cát của lòng dẫn sẽ làm cho lòng dẫn bị đào xói, khối đất phản áp của mái bờ bị suy giảm dần. Đến một thời gian nhất định mái bờ sẽ bị mất ổn định và sạt lở sẽ xảy ra. Xói lở dạng này thƣờng xảy ra vào thời gian đầu mùa mƣa, thời điểm mực nƣớc kiệt.

Các đợt sạt lở xảy ra ngắt quãng và có chu kỳ dài hơn so với dạng sạt lở do sóng thuyền bè gây ra. Tuy nhiên khối đất mỗi một đợt sạt lở thƣờng lớn hơn và nguy hiểm hơn (Mai Xuân Chính, 2014). - Sạt lở: do sự tăng thêm áp lực trong các giai đoạn ( thƣờng tăng thêm áp lực nƣớc, lực rung động.) làm cho đất đá di chuyển rời xa khỏi chỗ bị gián đoạn gây sụt lở (Mai Xuân Chính, 2014). Sạt lở do áp lực nƣớc làm hở hàm ếch bờ (Mai Xuân Chính, 2014) - Trƣợt dòng: do bản thân đất trong khối trƣợt bị xáo động dẫn đến chuyển một phần hay toàn bộ nhƣ một khối chất lỏng, mặt trƣợt hầu nhƣ không có hoặc chỉ biểu hiện từng lúc; thƣờng xảy ra trong đất yếu bão hòa nƣớc do áp lực nƣớc lỗ rỗng tăng lên đến một giới hạn làm mất toàn bộ cƣờng độ chống cắt của đất (Mai Xuân Chính, 2014).

Mất ổn định dạng trƣợt dòng (Mai Xuân Chính, 2014) - Trƣợt do khối đất bị phá hoại cắt dọc theo một mặt làm khối đất bị dịch chuyển trƣợt theo mặt phá hoại đó. Có hai dạng mất ổn định là trƣợt phẳng và trƣợt cong. Mất ổn định theo mặt trƣợt cong (Mai Xuân Chính, 2014) 1.2 Tổng quan các hình thức công trình (quy mô, vật liệu) bảo vệ bờ kè.1 Tổng quan về quy mô công trình bảo vệ bờ kè (Lê Hồng Quân, 2013).1 Công trình dân gian, thô sơ. Công trình loại dân gian, thô sơ là những công trình có quy mô nhỏ, đƣợc xây dựng tại các vị trí sông, kênh, rạch bị xói lở bờ, có độ sâu không lớn, tốc độ dòng chảy nhỏ.

Công trình chủ yếu đƣợc xây dựng bằng các loại vật liệu sẵn có ở 4 địa phƣơng, do ngƣời dân tự làm để bảo vệ nhà cửa, giữ đất, ruộng vƣờn. Kinh phí xây dựng công trình thƣờng là thấp. Công trình thô sơ có 3 dạng, dạng thứ nhất là công trình trồng cây, cỏ chống xói, chống sóng bảo vệ bờ. Loại thứ hai là các công trình sử dụng cọc gỗ, tre, cừ tràm.

Loại thứ 3 là dùng bao tải cát, xà bần, đá hộc kết hợp với cọc, cừ gỗ bảo vệ bờ. Phạm vi áp dụng loại công trình dân gian, thô sơ đƣợc ứng dụng rộng rãi dọc theo hệ thống sông ở đồng bằng sông Cửu Long. Các dạng cây này đƣợc trồng nhiều ở các vùng cửa sông, trong các sông, kênh rạch nhỏ, cồn (cù lao), bãi dọc các cửa sông Cửu Long, sông Cửu Lớn, Bảy Háp, Mỹ Thanh, cồn Tào, cồn Liệt sĩ (sông Tiền – An Giang), cù lao Long Khánh (sông Tiền – Hồng Ngự - Đồng Tháp), cù lao Bình Thủy (sông Hậu – Cần Thơ). Riêng ở khu vực An Giang, trên các bờ kênh hoặc đê bao chống lũ cỏ Vetiver đƣợc áp dụng ở các khu vực ít ngập nƣớc.2 Công trình kiên cố.

Các công trình chống xói lở trên các dòng sông ở đồng bằng sông Cửu Long thƣờng đƣợc xây dựng để bảo vệ xói lở bờ sông dƣới tác động của dòng chảy và sóng, tại các vị trí có độ sâu vừa phải, vận tốc dòng chảy không quá lớn. Công trình kiên cố có 2 loại chủ yếu: một là sử dụng dạng vật liệu là đá, thảm đá, rọ đá. Hai là sử dụng cọc, cừ BTCT (kết hợp gạch xây, cừ tràm). Các công trình kiên cố đã đƣợc xây dựng để chống xói lở bờ trên địa bàn các tỉnh đồng bằng sông Cửu Long, đƣợc sử dụng rộng rãi hầu hết tại các khu vực tập trung đông dân cƣ, thành phố, thị xã, thị trấn v.v… nhƣ ở thành phố Cà Mau, thị trấn Năm Căn, trung tâm huyện Đầm Dơi, thị xã Sa Đét, thành phố Hồ Chí Minh.2 Vật liệu công trình bảo vệ bờ kè.

Các loại công trình bảo vệ bờ đƣợc xây dựng chủ yếu bằng vật liệu địa phƣơng, vật liệu khai thác tại chỗ, trong một số trƣờng hợp đặc biệt sẽ cần đến những vật liệu nhân tạo. Tuy nhiên, những vật liệu này cơ bản cần đạt đƣợc những yêu cầu sau: 5 - Có thể khai tác tại chỗ hoặc vận chuyển thuận tiện, chi phí gia công thấp, có trữ lƣợng lớn và có thể huy động sự đóng góp của nhân dân. - Bền, dẻo, dễ biến hình ứng với biến hình của lòng sông hoặc phạm vi cần bảo vệ, chống xói và khó bị mục nát. - Các loại vật liệu thƣờng sử dụng trong xây dựng công trình bảo vệ bờ là: - Đất: ngày nay đất ít đƣợc sử dụng vào mục đích bảo vệ bờ mà chủ yếu đƣợc sử dụng để xây dựng lớp lõi của đê.

Tùy theo điều kiện sử dụng (có thực vật hoặc không có) và điều kiện tiếp xúc (có tiếp xúc với dòng chảy hay không) mà có thể sử dụng các loại đất khác nhau. - Đá: ngoại trừ các loại đá bị phá hoại trong nƣớc và các loại đá có trọng lƣợng riêng quá nhỏ (nhỏ hơn 1,7T/m3). Tất cả các loại đá dăm, cuội, sỏi… đều có thể sử dụng để xây dựng công trình bảo vệ bờ. Tùy theo bộ phận công trình, vị trí xây dựng và mục đích sử dụng mà lựa chọn các loại đá khác nhau và kích thƣớc khác nhau.

- Tre, cây thân gỗ: tùy theo nhu cầu sử dụng có thể dùng các loại cây này chỉ bằng thân hoặc cả tán cây.