Tổng quan nghiên cứu

Khu vực Đồng bằng sông Cửu Long (ĐBSCL) với tổng chiều dài mạng lưới đường bộ khoảng 40.932 km đóng vai trò quan trọng trong phát triển kinh tế xã hội. Tuy nhiên, hạ tầng giao thông vận tải tại đây còn nhiều hạn chế do đặc thù địa chất là vùng đất yếu, dẫn đến tình trạng mất ổn định nền đường, đặc biệt trong mùa mưa lũ. Tỉnh Đồng Tháp, một trong 13 tỉnh thuộc ĐBSCL, có diện tích tự nhiên 3.374,08 km², với địa hình thấp, thường xuyên bị ngập lũ từ 1-4m trong mùa lũ kéo dài từ tháng 7 đến tháng 11 hàng năm. Mạng lưới giao thông tỉnh gồm 2.814,6 km đường bộ, trong đó có 15 tuyến đường tỉnh với tổng chiều dài 352,5 km, nền đường thường được đắp cao từ 2-6m để vượt lũ.

Mục tiêu nghiên cứu là khảo sát sự ảnh hưởng của các yếu tố như chiều cao đắp nền đường, mái dốc ta luy, mực nước mặt, lực dính, góc ma sát trong và trọng lượng đơn vị thể tích của đất đắp và đất nền tự nhiên đến độ ổn định tổng thể nền đường. Phạm vi nghiên cứu tập trung trên địa bàn tỉnh Đồng Tháp trong giai đoạn 2010-2020, nhằm xây dựng toán đồ quan hệ giữa các nhân tố ảnh hưởng và hệ số ổn định nhỏ nhất (Kmin) của nền đường. Kết quả nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc thiết kế kỹ thuật, thi công và xử lý sự cố mất ổn định nền đường, góp phần nâng cao hiệu quả đầu tư và phát triển bền vững hệ thống giao thông khu vực ĐBSCL.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên các lý thuyết và mô hình cơ học đất nền, tập trung vào cơ chế phá hoại mất ổn định nền đường và các dạng di chuyển khối đất như sụt lở, trượt tịnh tiến, trượt xoay và trượt dòng. Các khái niệm chính bao gồm:

  • Hệ số ổn định nhỏ nhất (Kmin): Đánh giá mức độ ổn định của nền đường, với Kmin < 1 là mất ổn định, Kmin = 1 cân bằng cực hạn, Kmin > 1 ổn định.
  • Phương pháp mặt trượt trụ tròn: Giả định mặt trượt có dạng trụ tròn quay quanh tâm O, dùng để tính toán hệ số ổn định nền đường.
  • Phương pháp phân mảnh Fellenius (Ordinary): Phân chia khối đất trượt thành các mảnh nhỏ, tính toán mô men chống trượt và mô men gây trượt để xác định Kmin.
  • Phương pháp Bishop đơn giản hóa: Cải tiến so với Fellenius, xét thêm lực tương tác giữa các mảnh đất, cho kết quả chính xác hơn.
  • Các chỉ tiêu cơ lý đất: Lực dính (c), góc ma sát trong (j), trọng lượng đơn vị thể tích (g) của đất đắp và đất nền tự nhiên.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu chính được thu thập từ khảo sát thực địa tại tỉnh Đồng Tháp, bao gồm điều tra địa chất, thủy văn, và các chỉ tiêu cơ lý của đất nền tự nhiên và đất đắp. Cỡ mẫu khảo sát gồm nhiều lớp đất với độ dày từ 2-30m, đặc trưng bởi đất sét và cát nhỏ bão hòa.

Phương pháp phân tích sử dụng chương trình tính toán trên phần mềm Excel với ứng dụng Macro, áp dụng phương pháp mặt trượt trụ tròn phân mảnh theo Fellenius và Bishop để thử dần các cung trượt, xác định hệ số ổn định nhỏ nhất Kmin và vị trí tâm trượt nguy hiểm nhất. Số lượng mảnh trượt được chọn là 20 cho trường hợp không có nước mặt và 300 cho trường hợp có nước mặt. Kết quả được kiểm tra, đối chiếu với phần mềm chuyên dụng GeoStudio - Slope/W nhằm đảm bảo độ chính xác.

Timeline nghiên cứu kéo dài trong giai đoạn 2010-2012, tập trung vào khảo sát thực địa, thu thập số liệu, lập chương trình tính toán, phân tích kết quả và đề xuất giải pháp ổn định nền đường.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Ảnh hưởng chiều cao đắp nền đường (H) đến hệ số ổn định (Kmin):
    Khi chiều cao đắp nền tăng từ 1 đến 10m, hệ số Kmin giảm rõ rệt, ví dụ với mái dốc m=1, Kmin giảm từ khoảng 1,8 xuống gần 1,2, cho thấy nền đường càng cao càng dễ mất ổn định.
    Biểu đồ quan hệ Kmin-H thể hiện xu hướng giảm ổn định theo chiều cao đắp.

  2. Ảnh hưởng mái dốc ta luy (m) đến Kmin:
    Mái dốc càng dốc (giá trị m giảm từ 2 xuống 1), hệ số Kmin giảm khoảng 15-20%, làm tăng nguy cơ sạt lở. Mái dốc m=1,5 được xem là cân bằng giữa ổn định và tiết kiệm vật liệu.
    So sánh các phương pháp Ordinary và Bishop cho thấy sai số Kmin dưới 5%, đảm bảo độ tin cậy.

  3. Ảnh hưởng mực nước mặt (Lw) đến Kmin:
    Khi chiều rộng vùng nước ngập Lw tăng từ 0 đến 36m, Kmin tăng nhẹ do áp lực nước mặt tạo mô men kháng phụ, tuy nhiên ảnh hưởng này không lớn, khoảng 5-7%.
    Mực nước mặt cao (Hw từ 0,5 đến 2m) làm tăng trọng lượng đất ngập nước, ảnh hưởng đến tính toán trọng lượng đơn vị thể tích.

  4. Ảnh hưởng chỉ tiêu cơ lý đất đắp và đất nền:

    • Lực dính (c) tăng từ 6 đến 24 kN/m² làm tăng Kmin khoảng 20-25%.
    • Góc ma sát trong (j) tăng từ 8 đến 36 độ làm tăng Kmin khoảng 30%.
    • Trọng lượng đơn vị thể tích (g) thay đổi từ 17 đến 20,2 kN/m³ ảnh hưởng không lớn đến Kmin, khoảng 5%.
      Đất nền tự nhiên có lực dính và góc ma sát trong thấp hơn đất đắp, làm giảm độ ổn định tổng thể nền đường.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính làm giảm độ ổn định nền đường là chiều cao đắp lớn và mái dốc ta luy dốc, do tăng mô men gây trượt và giảm mô men chống trượt. Mực nước mặt tuy có tác động nhưng không đáng kể, chủ yếu ảnh hưởng qua trọng lượng đất ngập nước và áp lực nước lỗ rỗng. Các chỉ tiêu cơ lý đất đắp có vai trò quan trọng trong việc nâng cao hệ số ổn định, đặc biệt là lực dính và góc ma sát trong.

So sánh với các nghiên cứu trong ngành, kết quả phù hợp với các tiêu chuẩn kỹ thuật hiện hành, như Tiêu chuẩn 22TCN 262-2000, trong đó hệ số ổn định nhỏ nhất Kmin ≥ 1,2 được xem là an toàn. Việc sử dụng đồng thời phương pháp Fellenius và Bishop giúp kiểm tra chéo kết quả, tăng độ tin cậy.

Dữ liệu có thể được trình bày qua các biểu đồ quan hệ Kmin với từng yếu tố ảnh hưởng, bảng tổng hợp chỉ tiêu cơ lý đất và sơ đồ vị trí tâm trượt nguy hiểm nhất, giúp trực quan hóa và hỗ trợ thiết kế kỹ thuật.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Tối ưu chiều cao đắp nền đường:
    Giảm chiều cao đắp nền đường xuống mức tối thiểu cần thiết để vượt lũ, nhằm tăng hệ số ổn định Kmin, giảm nguy cơ sạt lở. Thực hiện trong vòng 1-2 năm, chủ thể là các đơn vị thiết kế và thi công công trình giao thông.

  2. Điều chỉnh mái dốc ta luy hợp lý:
    Thiết kế mái dốc với tỷ lệ m từ 1,5 đến 2 để đảm bảo ổn định và tiết kiệm vật liệu. Áp dụng trong các dự án nâng cấp, sửa chữa nền đường hiện có.

  3. Gia cố đất đắp và đất nền:
    Sử dụng các biện pháp gia cố như trồng cỏ Vetiver, sử dụng vật liệu vải địa kỹ thuật, hoặc gia cố xi măng để tăng lực dính và góc ma sát trong của đất. Thời gian thực hiện từ 6 tháng đến 1 năm, chủ thể là các nhà thầu xây dựng và quản lý công trình.

  4. Quản lý và kiểm soát mực nước mặt:
    Thiết kế hệ thống thoát nước hiệu quả, hạn chế ngập úng và áp lực nước lên nền đường, đặc biệt trong mùa mưa lũ. Chủ thể là các cơ quan quản lý giao thông và thủy lợi, thực hiện liên tục trong quá trình khai thác công trình.

  5. Áp dụng phần mềm tính toán hiện đại:
    Khuyến khích sử dụng phần mềm GeoStudio - Slope/W kết hợp với chương trình Excel tự lập để kiểm tra, đối chiếu kết quả tính toán, nâng cao độ chính xác và hiệu quả thiết kế. Đào tạo kỹ thuật viên và kỹ sư trong 1 năm tới.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Kỹ sư thiết kế công trình giao thông:
    Sử dụng kết quả nghiên cứu để lựa chọn thông số kỹ thuật, thiết kế nền đường phù hợp với điều kiện địa chất vùng ĐBSCL, giảm thiểu rủi ro mất ổn định.

  2. Nhà quản lý dự án và cơ quan quản lý giao thông:
    Áp dụng các giải pháp đề xuất để nâng cao hiệu quả đầu tư, đảm bảo an toàn và bền vững cho hệ thống giao thông tỉnh Đồng Tháp và khu vực lân cận.

  3. Các nhà nghiên cứu và sinh viên ngành xây dựng cầu đường:
    Tham khảo phương pháp tính toán, mô hình hóa và phân tích ảnh hưởng các yếu tố đến độ ổn định nền đường, phục vụ cho các nghiên cứu chuyên sâu và luận văn.

  4. Nhà thầu thi công và đơn vị xử lý sự cố:
    Áp dụng các giải pháp gia cố, xử lý nền đất yếu, kiểm soát mực nước mặt để giảm thiểu sự cố sạt lở, nâng cao chất lượng công trình.

Câu hỏi thường gặp

  1. Hệ số ổn định nhỏ nhất (Kmin) là gì và tại sao quan trọng?
    Kmin là chỉ số đánh giá mức độ ổn định của nền đường; nếu Kmin < 1, nền đường mất ổn định, gây nguy hiểm. Ví dụ, nền đường đắp cao 6m với mái dốc m=1 có thể có Kmin khoảng 1,1, gần ngưỡng nguy hiểm.

  2. Phương pháp mặt trượt trụ tròn có ưu điểm gì?
    Phương pháp này giả định mặt trượt dạng trụ tròn, phù hợp với nhiều dạng mái dốc phức tạp, cho kết quả tính toán đáng tin cậy và được sử dụng rộng rãi trong thiết kế công trình giao thông.

  3. Tại sao cần sử dụng cả phần mềm Slope/W và chương trình Excel?
    Việc sử dụng đồng thời giúp kiểm tra chéo kết quả, giảm sai số và tăng độ tin cậy trong tính toán, đồng thời Excel cho phép tùy biến linh hoạt các tham số đầu vào.

  4. Làm thế nào để giảm nguy cơ mất ổn định nền đường trong mùa mưa lũ?
    Giải pháp bao gồm giảm chiều cao đắp, điều chỉnh mái dốc, gia cố đất đắp, kiểm soát mực nước mặt và sử dụng vật liệu gia cố phù hợp như cỏ Vetiver hoặc vải địa kỹ thuật.

  5. Các chỉ tiêu cơ lý đất ảnh hưởng như thế nào đến độ ổn định nền đường?
    Lực dính và góc ma sát trong là hai chỉ tiêu quan trọng nhất, tăng các giá trị này sẽ làm tăng hệ số ổn định Kmin, giảm nguy cơ sạt lở. Ví dụ, tăng lực dính từ 6 lên 24 kN/m² có thể tăng Kmin lên 20-25%.

Kết luận

  • Nghiên cứu đã xác định rõ ảnh hưởng của các yếu tố chiều cao đắp, mái dốc, mực nước mặt và chỉ tiêu cơ lý đất đến độ ổn định tổng thể nền đường tại tỉnh Đồng Tháp.
  • Phương pháp mặt trượt trụ tròn phân mảnh, kết hợp phần mềm Slope/W và chương trình Excel, cho kết quả tính toán chính xác và tin cậy.
  • Toán đồ quan hệ giữa các nhân tố ảnh hưởng và hệ số ổn định nhỏ nhất (Kmin) được xây dựng, làm cơ sở khoa học cho thiết kế và xử lý sự cố nền đường.
  • Đề xuất các giải pháp kỹ thuật cụ thể nhằm nâng cao độ ổn định nền đường, giảm thiểu rủi ro sạt lở trong mùa mưa lũ.
  • Khuyến nghị tiếp tục phát triển chương trình tính toán, mở rộng khảo sát thực địa và áp dụng công nghệ gia cố hiện đại trong các dự án giao thông khu vực ĐBSCL.

Hành động tiếp theo là triển khai áp dụng các giải pháp đề xuất trong các dự án xây dựng và bảo trì đường bộ tại Đồng Tháp, đồng thời đào tạo nhân lực sử dụng phần mềm tính toán hiện đại để nâng cao chất lượng thiết kế và thi công.