Tổng quan nghiên cứu

Thành phố Cần Thơ, trung tâm của Đồng bằng sông Cửu Long (ĐBSCL), là khu vực chịu ảnh hưởng mạnh mẽ của thủy triều sông Hậu và dòng chảy từ Campuchia, với mực nước dao động từ 2,08 đến 2,1 mét (theo Trung tâm khí tượng thủy văn Cần Thơ, 10/10/2014). Điều kiện địa chất yếu, kết hợp với tác động của tải trọng giao thông và thủy triều, đã gây ra hiện tượng sạt lở và dịch chuyển tường kè bê tông cốt thép (BTCT) tại nhiều tuyến bờ sông. Đặc biệt, các công trình kè tại khu vực này thường xuyên gặp sự cố dịch chuyển ngang, ảnh hưởng nghiêm trọng đến an toàn công trình và đời sống người dân ven sông.

Mục tiêu nghiên cứu là phân tích độ ổn định và dịch chuyển của tường kè BTCT dưới tác động của tải trọng và thủy triều tại TP. Cần Thơ, từ đó đề xuất phương án thiết kế và thi công tối ưu nhằm nâng cao độ an toàn và hiệu quả kinh tế. Nghiên cứu tập trung vào công trình kè Cái Khế, thuộc gói thầu CP20-2, với chiều cao tường 3m, bản đế rộng 2,5m, được gia cố bằng 2 hàng cọc BTCT sâu 20m và cừ tràm mật độ 16 cây/m2. Phạm vi nghiên cứu bao gồm khảo sát thực tế, thu thập số liệu dịch chuyển, mô phỏng bằng phần mềm Plaxis và đánh giá các phương án gia cố.

Nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc cung cấp cơ sở khoa học cho kỹ sư thiết kế, giúp lựa chọn giải pháp gia cố phù hợp, giảm thiểu rủi ro sạt lở và dịch chuyển tường kè, đồng thời góp phần nâng cao chất lượng hạ tầng ven sông tại Cần Thơ và khu vực ĐBSCL.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu dựa trên các lý thuyết cơ bản về áp lực đất và mô hình ứng xử của đất nền trong kỹ thuật xây dựng công trình ven sông:

  • Lý thuyết áp lực đất: Bao gồm áp lực đất tĩnh, áp lực đất chủ động và bị động, được xác định theo các công thức Coulomb và Rankine. Áp lực nước ngầm và áp lực do tải trọng giao thông cũng được tính toán chi tiết để xác định tổng áp lực tác dụng lên tường kè.

  • Mô hình vật liệu đất trong Plaxis: Sử dụng mô hình Mohr-Coulomb và mô hình Hardening-Soil để mô phỏng ứng xử đàn hồi dẻo và phi tuyến của đất nền. Mô hình Mohr-Coulomb gồm 5 thông số chính: mô-đun đàn hồi E, hệ số Poisson v, lực dính c, góc ma sát φ và góc giãn nở ψ. Mô hình Hardening-Soil nâng cao khả năng mô phỏng biến dạng phi tuyến và biến dạng thể tích dẻo của đất.

  • Phương pháp phần tử hữu hạn (PTHH): Phần mềm Plaxis ứng dụng PTHH để mô phỏng biến dạng và ổn định của tường kè dưới các tác động tải trọng và thủy triều, cho phép phân tích chi tiết ứng xử công trình trong điều kiện thực tế.

Các khái niệm chính bao gồm: áp lực đất chủ động (Ec), áp lực đất bị động (Eb), áp lực nước ngầm, mô-đun đàn hồi (Eref, Eoed), sức chống cắt (c’, φ’), hệ số quá cố kết (OCR), và các thông số mô hình Hardening-Soil.

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu sử dụng phương pháp kết hợp giữa khảo sát thực tế và mô phỏng số:

  • Nguồn dữ liệu: Thu thập số liệu địa chất, mực nước thủy triều, bản vẽ thiết kế, nhật ký dịch chuyển tường kè từ công trình kè Cái Khế tại TP. Cần Thơ. Dữ liệu quan trắc dịch chuyển thực tế được cung cấp bởi Công ty CP Sông Hồng Tây Đô (2014).

  • Phương pháp phân tích: Mô phỏng ổn định và dịch chuyển tường kè bằng phần mềm Plaxis dựa trên mô hình vật liệu Mohr-Coulomb và Hardening-Soil. Các thông số đầu vào được xác định từ thí nghiệm nén cố kết, nén ba trục, và các thông số tương quan từ thí nghiệm hiện trường như SPT.

  • Cỡ mẫu và chọn mẫu: Mẫu đất được lấy từ các hố khoan tại vị trí công trình khảo sát, đảm bảo đại diện cho các lớp đất nền chính. Cỡ mẫu đủ lớn để xác định các thông số cơ lý chính xác.

  • Timeline nghiên cứu: Thu thập số liệu và khảo sát thực địa từ năm 2012 đến 2014; mô phỏng và phân tích số từ 2015 đến 2017; hoàn thiện luận văn và bảo vệ vào tháng 4 năm 2018.

Phương pháp nghiên cứu cho phép so sánh kết quả mô phỏng với số liệu quan trắc thực tế, từ đó hiệu chỉnh mô hình và đề xuất các phương án thiết kế, thi công phù hợp.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Hiện tượng dịch chuyển ngang tường kè: Quan trắc thực tế tại đoạn kè Cái Khế (Km0+238 ÷ Km0+268) cho thấy dịch chuyển ngang từ 1 đến 6 cm, đặc biệt sau các đợt mưa lớn và thủy triều cao. Mô phỏng Plaxis với mô hình Hardening-Soil cho kết quả dịch chuyển tương tự, sai số dưới 10%, chứng tỏ mô hình phù hợp với thực tế.

  2. Ảnh hưởng của mực nước thủy triều: Hệ số an toàn (Msf) của tường kè giảm từ 1,456 ở mực nước cao nhất xuống còn 0,976 ở mực nước thấp nhất, cho thấy thủy triều có tác động lớn đến độ ổn định tường kè. Biểu đồ so sánh hệ số an toàn theo các mực nước minh họa rõ sự biến đổi này.

  3. Tác động của phương án gia cố cọc BTCT: Mô phỏng các phương án đóng cọc với số lượng, chiều dài và góc nghiêng khác nhau cho thấy tăng mật độ cọc từ 1,5m lên 1,0m khoảng cách làm tăng hệ số an toàn lên 15-20%. Chiều dài cọc tối ưu là 20m, vượt quá chiều dài này không cải thiện đáng kể độ ổn định. Góc nghiêng cọc xiên ra ngoài tường giúp giảm dịch chuyển ngang khoảng 10% so với cọc thẳng đứng.

  4. So sánh mô hình Mohr-Coulomb và Hardening-Soil: Mô hình Hardening-Soil mô phỏng chính xác hơn các biến dạng phi tuyến và biến dạng thể tích dẻo của đất nền, cho kết quả dịch chuyển và hệ số an toàn sát với thực tế hơn mô hình Mohr-Coulomb.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân dịch chuyển tường kè chủ yếu do tác động kết hợp của tải trọng giao thông, áp lực đất chủ động và thủy triều biến động, làm giảm áp lực đất bị động giữ tường. Đặc biệt, mực nước thủy triều cao làm tăng áp lực nước ngầm, giảm sức kháng cắt của đất nền, dẫn đến giảm hệ số an toàn. Kết quả mô phỏng cho thấy mô hình Hardening-Soil phù hợp với điều kiện đất yếu, biến dạng phi tuyến tại Cần Thơ, đồng thời mô phỏng chính xác hơn mô hình Mohr-Coulomb truyền thống.

So với các nghiên cứu trong nước và quốc tế, kết quả này tương đồng với báo cáo của Donald G. Anderson (2008) về thiết kế tường chắn chịu tải trọng phức tạp và nghiên cứu của WU et al. (1991) về ổn định tường chắn đất. Việc đề xuất phương án gia cố cọc xiên và tăng mật độ cọc phù hợp với các khuyến nghị kỹ thuật nhằm nâng cao độ ổn định và giảm dịch chuyển.

Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ so sánh hệ số an toàn theo mực nước, bảng số liệu dịch chuyển thực tế và mô phỏng, cũng như sơ đồ mặt cắt mô phỏng các phương án gia cố cọc.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Tăng mật độ cọc BTCT: Giảm khoảng cách giữa các cọc từ 1,5m xuống 1,0m để tăng hệ số an toàn tường kè ít nhất 15% trong vòng 1-2 năm, do chủ đầu tư và nhà thầu thi công thực hiện.

  2. Sử dụng cọc xiên ra ngoài tường: Áp dụng góc nghiêng cọc khoảng 15-20 độ hướng ra ngoài để giảm dịch chuyển ngang tường kè khoảng 10% trong giai đoạn thi công và vận hành, do đơn vị thiết kế và thi công phối hợp thực hiện.

  3. Kiểm soát mực nước thủy triều và thoát nước nền: Thiết kế hệ thống thoát nước hiệu quả để giảm áp lực nước ngầm, duy trì hệ số an toàn trên 1,2 trong suốt mùa mưa bão, do cơ quan quản lý hạ tầng và đơn vị vận hành công trình đảm nhiệm.

  4. Áp dụng mô hình Hardening-Soil trong thiết kế: Khuyến cáo sử dụng mô hình Hardening-Soil trong phần mềm Plaxis để mô phỏng và đánh giá ổn định tường kè, giúp dự báo chính xác hơn các biến dạng và dịch chuyển, áp dụng cho tất cả các dự án xây dựng tường kè tại ĐBSCL trong vòng 3 năm tới.

  5. Đào tạo và nâng cao năng lực kỹ sư thiết kế: Tổ chức các khóa đào tạo chuyên sâu về mô hình phần tử hữu hạn và mô hình vật liệu đất nền cho kỹ sư thiết kế và thi công, nhằm nâng cao chất lượng thiết kế và thi công tường kè BTCT.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Kỹ sư thiết kế công trình ven sông: Nghiên cứu cung cấp cơ sở lý thuyết và thực tiễn để lựa chọn mô hình vật liệu và phương án gia cố phù hợp, giúp thiết kế tường kè an toàn và hiệu quả.

  2. Nhà thầu thi công xây dựng: Tham khảo các phương án thi công gia cố cọc BTCT, đặc biệt là kỹ thuật đóng cọc xiên và kiểm soát dịch chuyển trong quá trình thi công.

  3. Cơ quan quản lý hạ tầng và đô thị: Sử dụng kết quả nghiên cứu để lập kế hoạch bảo trì, nâng cấp hệ thống tường kè, đồng thời xây dựng các quy chuẩn kỹ thuật phù hợp với điều kiện địa chất và thủy văn địa phương.

  4. Nhà nghiên cứu và sinh viên ngành xây dựng dân dụng và công nghiệp: Tài liệu tham khảo quý giá về ứng dụng phần mềm Plaxis, mô hình vật liệu đất nền và phân tích ổn định công trình trong điều kiện thực tế.

Câu hỏi thường gặp

  1. Tại sao cần sử dụng mô hình Hardening-Soil thay vì Mohr-Coulomb?
    Mô hình Hardening-Soil mô phỏng chính xác hơn ứng xử phi tuyến và biến dạng thể tích dẻo của đất nền, phù hợp với điều kiện đất yếu tại Cần Thơ, giúp dự báo dịch chuyển và ổn định tường kè sát thực tế hơn.

  2. Ảnh hưởng của thủy triều đến tường kè như thế nào?
    Thủy triều làm thay đổi áp lực nước ngầm, giảm sức kháng cắt của đất nền, từ đó làm giảm hệ số an toàn và tăng nguy cơ dịch chuyển tường kè, đặc biệt trong mùa mưa bão.

  3. Phương án gia cố cọc nào hiệu quả nhất?
    Gia cố bằng cọc BTCT với mật độ cao hơn (khoảng cách 1m) và cọc xiên ra ngoài tường giúp tăng hệ số an toàn và giảm dịch chuyển ngang hiệu quả, theo kết quả mô phỏng và quan trắc thực tế.

  4. Làm thế nào để kiểm soát dịch chuyển tường kè trong quá trình thi công?
    Cần theo dõi liên tục dịch chuyển qua quan trắc thực tế, điều chỉnh phương án thi công, đặc biệt là kiểm soát mực nước và tải trọng giao thông, đồng thời áp dụng các biện pháp thoát nước hiệu quả.

  5. Phần mềm Plaxis có những ưu điểm gì trong nghiên cứu này?
    Plaxis sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn, cho phép mô phỏng chi tiết ứng xử đất nền và kết cấu tường kè dưới các tải trọng phức tạp, giúp đánh giá chính xác độ ổn định và dịch chuyển công trình.

Kết luận

  • Nghiên cứu đã xác định được nguyên nhân chính gây dịch chuyển tường kè BTCT tại TP. Cần Thơ là sự kết hợp của tải trọng giao thông, áp lực đất và thủy triều biến động.
  • Mô hình Hardening-Soil trong phần mềm Plaxis mô phỏng chính xác hơn mô hình Mohr-Coulomb, phù hợp với điều kiện đất yếu và biến dạng phi tuyến tại khu vực nghiên cứu.
  • Phương án gia cố cọc BTCT với mật độ cao và cọc xiên ra ngoài tường giúp tăng hệ số an toàn và giảm dịch chuyển ngang hiệu quả.
  • Kiểm soát mực nước thủy triều và áp lực nước ngầm là yếu tố quan trọng trong duy trì ổn định tường kè.
  • Đề xuất áp dụng mô hình Hardening-Soil và các giải pháp gia cố trong thiết kế, thi công tường kè tại Cần Thơ và ĐBSCL, đồng thời nâng cao năng lực kỹ thuật cho đội ngũ thiết kế và thi công.

Tiếp theo, cần triển khai áp dụng các giải pháp đề xuất vào thực tế, đồng thời mở rộng nghiên cứu cho các công trình tường kè khác trong khu vực nhằm nâng cao hiệu quả và độ bền công trình. Các kỹ sư và nhà quản lý được khuyến khích tham khảo và áp dụng kết quả nghiên cứu để đảm bảo an toàn và phát triển bền vững hạ tầng ven sông.