Tổng quan nghiên cứu

Mái dốc công trình đất, bao gồm mái dốc tự nhiên và mái dốc nhân tạo, đóng vai trò quan trọng trong các công trình xây dựng, đặc biệt là các công trình giao thông và thủy lợi. Ở Việt Nam, với điều kiện khí hậu khô hạn kéo dài như tại Ninh Thuận, hiện tượng xuất hiện khe nứt căng trên đỉnh mái dốc đất dính là phổ biến, ảnh hưởng trực tiếp đến mức độ ổn định của mái dốc. Theo ước tính, các khe nứt này làm giảm chiều dài cung trượt và tạo điều kiện cho nước thấm vào, làm suy giảm hệ số an toàn của mái dốc. Mục tiêu nghiên cứu là đánh giá ảnh hưởng của khe nứt căng đến mức độ ổn định mái dốc, đồng thời phân tích và so sánh các phương pháp tính toán ổn định mái dốc hiện đại nhằm lựa chọn phương pháp phù hợp nhất cho công trình đường ven biển Vĩnh Hy – Ninh Chữ, Ninh Thuận.

Phạm vi nghiên cứu tập trung vào các mặt cắt tiêu biểu của công trình đường ven biển Ninh Thuận trong giai đoạn thi công và khai thác, với dữ liệu khảo sát địa chất, thiết kế và hoàn công được thu thập từ năm 2016-2017. Ý nghĩa của nghiên cứu thể hiện qua việc nâng cao độ chính xác trong tính toán ổn định mái dốc, góp phần giảm thiểu rủi ro sạt lở, đảm bảo an toàn công trình và phát triển kinh tế vùng ven biển. Các chỉ số an toàn mái dốc được đánh giá theo tiêu chuẩn QCVN 04-05:2012, với hệ số an toàn tối thiểu từ 1,2 đến 1,5 tùy loại công trình.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu dựa trên hai nhóm lý thuyết chính trong phân tích ổn định mái dốc:

  1. Lý thuyết cân bằng giới hạn với mặt trượt giả định: Phương pháp này giả định hình dạng mặt trượt (thường là mặt trụ tròn) dựa trên quan sát thực tế và sử dụng các phương trình cân bằng lực và mô men để tính hệ số ổn định. Các phương pháp tiêu biểu gồm Ordinary/Fellenius, Bishop đơn giản, Janbu đơn giản và Spencer. Các khái niệm chính bao gồm hệ số ổn định (F), lực ma sát, lực dính, áp lực nước lỗ rỗng và mặt trượt nguy hiểm nhất.

  2. Phương pháp phân tích phân thỏi (slices method): Phương pháp này chia khối đất trượt thành nhiều thỏi nhỏ, phân tích cân bằng lực và mô men trên từng thỏi để xác định hệ số ổn định tổng thể. Phương pháp này cho phép mô hình hóa phức tạp hơn, bao gồm ảnh hưởng của áp lực nước lỗ rỗng và lực tương tác giữa các thỏi đất.

Các khái niệm chuyên ngành quan trọng gồm: khe nứt căng (tension crack), áp lực nước lỗ rỗng, hệ số an toàn mái dốc, mặt trượt cung tròn, lực neo trong đất, và các phương pháp gia cố mái dốc như đắp đất chân mái, thoát nước, sử dụng vải địa kỹ thuật, cọc bản, neo đất và trồng cỏ.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu chính bao gồm khảo sát địa chất thực tế tại công trình đường ven biển Vĩnh Hy – Ninh Chữ, dữ liệu thiết kế và hoàn công, cùng các số liệu khí hậu và địa hình vùng Ninh Thuận. Cỡ mẫu nghiên cứu gồm 5 mặt cắt tiêu biểu (Km 2+054, Km 2+104, Km 2+144, Km 2+165, Km 2+224) được lựa chọn dựa trên đặc điểm địa chất và mức độ xuất hiện khe nứt căng.

Phương pháp phân tích sử dụng phần mềm GEO-SLOPE với các mô đun mô hình hóa áp lực nước lỗ rỗng, vật liệu đất và mặt trượt. Các phương pháp tính toán ổn định mái dốc được áp dụng gồm Bishop đơn giản, Janbu tổng quát và Spencer, đồng thời so sánh kết quả với phương pháp Ordinary/Fellenius truyền thống. Timeline nghiên cứu kéo dài trong 12 tháng, bao gồm thu thập dữ liệu, mô hình hóa, tính toán và phân tích kết quả.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Ảnh hưởng của khe nứt căng đến hệ số ổn định mái dốc: Khe nứt căng làm giảm chiều dài cung trượt từ khoảng 15% đến 25% tùy mặt cắt, dẫn đến giảm hệ số ổn định trung bình từ 1,35 xuống còn khoảng 1,1, gần sát ngưỡng an toàn tối thiểu theo QCVN.

  2. So sánh các phương pháp tính toán: Phương pháp Bishop đơn giản và Spencer cho kết quả hệ số ổn định cao hơn khoảng 10-15% so với phương pháp Ordinary/Fellenius, do tính đến lực tương tác giữa các thỏi đất và áp lực nước lỗ rỗng. Phương pháp Janbu tổng quát cho kết quả tương tự Spencer nhưng có độ chính xác cao hơn trong mô hình phức tạp.

  3. Hiệu quả các biện pháp gia cố mái dốc: Phương pháp đắp đất chân mái (Loading the Toe) tăng hệ số ổn định lên 20-30%, trong khi phương pháp thoát nước giảm áp lực nước lỗ rỗng giúp tăng hệ số ổn định thêm 10-15%. Sử dụng vải địa kỹ thuật và neo đất cũng góp phần cải thiện ổn định từ 10-20% tùy điều kiện địa chất.

  4. Tác động của điều kiện khí hậu khô hạn: Khô hạn kéo dài tại Ninh Thuận làm gia tăng mức độ nứt nẻ trên đỉnh mái dốc, làm tăng nguy cơ sạt lở khi có mưa lớn hoặc thủy triều dâng cao, đòi hỏi phải tính toán ổn định mái dốc theo điều kiện ứng suất tổng và hiệu quả.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính của sự giảm ổn định mái dốc là do sự xuất hiện khe nứt căng làm giảm chiều dài cung trượt và tạo điều kiện cho nước thấm vào đất, làm giảm lực dính và ma sát trong đất. Kết quả tính toán cho thấy các phương pháp hiện đại như Bishop và Spencer phù hợp hơn với điều kiện thực tế do tính đến các yếu tố tương tác phức tạp và áp lực nước lỗ rỗng, trong khi phương pháp truyền thống thường đánh giá thấp hệ số ổn định.

So sánh với các nghiên cứu trong ngành xây dựng công trình thủy khác, kết quả này nhất quán với báo cáo của ngành về ảnh hưởng tiêu cực của khe nứt căng và áp lực nước lỗ rỗng đến ổn định mái dốc. Việc áp dụng các biện pháp gia cố như đắp đất chân mái và thoát nước được khuyến nghị nhằm nâng cao hệ số an toàn, đặc biệt trong điều kiện khí hậu khắc nghiệt.

Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ so sánh hệ số ổn định giữa các phương pháp tính toán và bảng tổng hợp hiệu quả các biện pháp gia cố tại từng mặt cắt, giúp minh họa rõ ràng ảnh hưởng của từng yếu tố đến ổn định mái dốc.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Áp dụng phương pháp tính toán hiện đại: Khuyến nghị sử dụng phương pháp Bishop đơn giản hoặc Spencer trong tính toán ổn định mái dốc tại các công trình tương tự, nhằm đảm bảo độ chính xác và an toàn kỹ thuật. Thời gian áp dụng: ngay trong giai đoạn thiết kế và kiểm tra định kỳ.

  2. Gia cố chân mái dốc bằng đắp đất: Thực hiện đắp đất tại chân mái dốc để tăng mô men chống trượt, nâng hệ số ổn định lên ít nhất 20%. Chủ thể thực hiện: nhà thầu thi công và đơn vị tư vấn thiết kế, trong vòng 6 tháng sau khi phát hiện khe nứt.

  3. Thi công hệ thống thoát nước hiệu quả: Xây dựng các rãnh thoát nước nông và sâu để giảm áp lực nước lỗ rỗng, duy trì hệ số ổn định trên 1,3 trong mùa mưa. Chủ thể thực hiện: đơn vị quản lý công trình và bảo trì, theo dõi và bảo dưỡng định kỳ hàng năm.

  4. Sử dụng vật liệu gia cố địa kỹ thuật và neo đất: Áp dụng vải địa kỹ thuật và neo đất tại các vị trí có khe nứt căng để tăng cường lực kháng cắt, giảm nguy cơ sạt lở. Thời gian thực hiện: trong giai đoạn thi công hoặc cải tạo công trình, phối hợp giữa nhà thầu và tư vấn kỹ thuật.

  5. Giám sát và bảo trì định kỳ: Thiết lập hệ thống giám sát khe nứt và áp lực nước lỗ rỗng để phát hiện sớm các dấu hiệu mất ổn định, từ đó có biện pháp xử lý kịp thời. Chủ thể: cơ quan quản lý công trình, thực hiện hàng quý hoặc theo mùa.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Kỹ sư thiết kế công trình thủy lợi và giao thông: Nghiên cứu cung cấp cơ sở khoa học và phương pháp tính toán chính xác để thiết kế mái dốc an toàn, giảm thiểu rủi ro sạt lở.

  2. Nhà quản lý và vận hành công trình: Thông tin về các biện pháp gia cố và giám sát giúp nâng cao hiệu quả quản lý, bảo trì công trình trong điều kiện khí hậu khắc nghiệt.

  3. Chuyên gia nghiên cứu địa kỹ thuật và cơ học đất: Cung cấp dữ liệu thực nghiệm và mô hình phân tích ứng dụng, hỗ trợ phát triển các phương pháp tính toán mới và cải tiến kỹ thuật gia cố.

  4. Sinh viên và học viên cao học ngành xây dựng công trình thủy: Tài liệu tham khảo toàn diện về lý thuyết, phương pháp và ứng dụng thực tế trong phân tích ổn định mái dốc, phục vụ học tập và nghiên cứu.

Câu hỏi thường gặp

  1. Khe nứt căng ảnh hưởng như thế nào đến ổn định mái dốc?
    Khe nứt căng làm giảm chiều dài cung trượt và tạo điều kiện cho nước thấm vào đất, làm giảm lực dính và ma sát, từ đó giảm hệ số ổn định mái dốc. Ví dụ tại Ninh Thuận, hệ số ổn định giảm khoảng 15-25% khi có khe nứt.

  2. Phương pháp tính toán nào phù hợp nhất cho mái dốc đất dính có khe nứt?
    Phương pháp Bishop đơn giản và Spencer được khuyến nghị vì tính đến lực tương tác giữa các thỏi đất và áp lực nước lỗ rỗng, cho kết quả chính xác và an toàn hơn so với phương pháp truyền thống.

  3. Các biện pháp gia cố nào hiệu quả nhất để tăng ổn định mái dốc?
    Đắp đất chân mái và hệ thống thoát nước là hai biện pháp hiệu quả nhất, có thể tăng hệ số ổn định lên 20-30%. Ngoài ra, sử dụng vải địa kỹ thuật và neo đất cũng góp phần cải thiện đáng kể.

  4. Làm thế nào để giám sát và phát hiện sớm nguy cơ mất ổn định mái dốc?
    Thiết lập hệ thống quan trắc khe nứt và áp lực nước lỗ rỗng định kỳ, sử dụng cảm biến và đo đạc thủ công để phát hiện biến động, từ đó có biện pháp xử lý kịp thời.

  5. Nghiên cứu này có thể áp dụng cho các vùng khí hậu khác không?
    Mặc dù tập trung vào vùng khô hạn Ninh Thuận, các phương pháp và kết quả nghiên cứu có thể điều chỉnh và áp dụng cho các vùng khí hậu khác, đặc biệt là nơi có hiện tượng khe nứt căng và áp lực nước lỗ rỗng tương tự.

Kết luận

  • Nghiên cứu đã làm rõ ảnh hưởng tiêu cực của khe nứt căng đến mức độ ổn định mái dốc, giảm hệ số an toàn từ 1,35 xuống gần 1,1.
  • Phương pháp tính toán hiện đại như Bishop và Spencer cho kết quả chính xác và an toàn hơn so với phương pháp truyền thống.
  • Các biện pháp gia cố như đắp đất chân mái và thoát nước được chứng minh hiệu quả, nâng cao hệ số ổn định từ 20-30%.
  • Giám sát định kỳ và bảo trì hệ thống thoát nước là yếu tố then chốt trong duy trì ổn định mái dốc lâu dài.
  • Đề xuất áp dụng các giải pháp kỹ thuật và quản lý phù hợp trong vòng 6-12 tháng tới nhằm đảm bảo an toàn công trình và phát triển bền vững vùng ven biển Ninh Thuận.

Luận văn kêu gọi các nhà quản lý, kỹ sư và chuyên gia địa kỹ thuật tiếp tục nghiên cứu và ứng dụng các phương pháp tính toán và gia cố hiện đại để nâng cao độ an toàn và hiệu quả công trình mái dốc trong điều kiện khí hậu biến đổi.