Tổng quan luận án

Luận án tiến sĩ kỹ thuật chuyên ngành Địa kỹ thuật xây dựng (mã số 62 58 02 11) với đề tài "Nghiên cứu hình dạng hợp lý của khối nêm để làm móng đê biển Nam Bộ" được nghiên cứu sinh Đỗ Thế Quynh thực hiện tại Viện Khoa học Thủy lợi Việt Nam dưới sự hướng dẫn khoa học của PGS. Nguyễn Vũ Việt và PGS. Phùng Vĩnh An, bảo vệ năm 2018.

Tính cấp thiết và khoảng trống nghiên cứu

Theo quy hoạch thủy lợi vùng đồng bằng sông Cửu Long đến năm 2020 và định hướng đến năm 2050 trong điều kiện biến đổi khí hậu và nước biển dâng, giai đoạn 2016–2020 đặt ra yêu cầu xây mới 24 tuyến đê phục vụ kiểm soát mặn, lũ, triều cường và phòng chống thiên tai. Đề tài do Chương trình Phát triển Liên Hợp Quốc (UNDP) quản lý cũng xác định tính cấp thiết của việc xây dựng tuyến đê biển thứ hai dài 580 km tại đồng bằng Nam Bộ, bố trí cách tuyến đê thứ nhất từ 5,0 km đến 6,5 km nhằm bảo vệ dân cư và cơ sở hạ tầng.

Tuy nhiên, điều kiện xây dựng đê biển tại khu vực này gặp hai khó khăn kỹ thuật lớn:

  1. Địa tầng đất nền có tính chất cơ lý rất yếu, bề dày tầng bùn sét lớn (từ 25 m đến 80 m), trong khi chiều cao đê thiết kế phổ biến từ 2,0 m đến 3,0 m khiến chiều sâu chịu nén của nền (khoảng 6,0 m) nằm hoàn toàn trong lớp đất yếu. Sức chịu tải tự nhiên của nền không đáp ứng được yêu cầu ổn định của thân đê nếu không xử lý móng.
  2. Nguồn vật liệu hạt (cát đắp, đá dăm) tại chỗ khan hiếm, chi phí vận chuyển xa lớn; việc khai thác cát lòng sông gây sạt lở bờ nghiêm trọng và thiếu hụt nguồn cung.

Các giải pháp truyền thống như đắp đê chia lớp chờ cố kết kéo dài thời gian thi công; đệm cát thay thế nền gây tốn kém cát và phát sinh chi phí đổ thải bùn đào; đắp trên bè cây chưa có tiêu chuẩn kỹ thuật và ảnh hưởng tới sinh thái rừng ngập mặn; móng Top-base bằng bê tông - đá dăm hay móng gia cố khối (MS) đòi hỏi thiết bị thi công cồng kềnh, cường độ vật liệu quá dư thừa so với tải trọng đê thấp, làm tăng tải trọng bản thân lên nền. Giải pháp móng khối nêm kết hợp đất yếu trộn xi măng, phụ gia và cát chèn đề xuất năm 2014 mới dừng lại ở một kích thước hình học duy nhất ($I\text{-}0{,}5\text{-}0{,}3\text{-}45$), chưa có cơ sở khoa học xác định hình dạng tối ưu cũng như công thức giải tích tính toán ứng suất đáy móng phù hợp với quy mô đê biển Nam Bộ.

Mục tiêu nghiên cứu

  • Mục tiêu tổng quát: Nghiên cứu xác định hình dạng hợp lý của khối nêm để làm móng đê biển Nam Bộ.
  • Mục tiêu cụ thể:
    1. Nghiên cứu ứng suất, biến dạng của nền móng khối nêm đặt trên nền đất yếu, qua đó xác định hình dạng hợp lý của khối nêm để làm móng đê biển Nam Bộ.
    2. Nghiên cứu thiết lập công thức tính ứng suất đáy móng khối nêm phù hợp với đê biển Nam Bộ.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

  • Đối tượng nghiên cứu: Ứng suất, biến dạng của móng khối nêm đặt trên nền đất yếu trong xây dựng đê biển bằng vật liệu tại chỗ ở đồng bằng Nam Bộ.
  • Phạm vi nghiên cứu:
    • Quy mô công trình: Đê biển đắp bằng vật liệu tại chỗ có chiều cao khối đắp $H_đ$ từ 2,0 m đến 3,0 m; chiều sâu đặt móng nông không quá 1,0 m; chiều sâu vùng đất yếu chịu nén tính toán là 6,0 m.
    • Tải trọng tác dụng: Tải trọng đứng tác dụng lên móng được giả thiết phân bố đều (tương ứng vùng giữa đỉnh đê); tải trọng xe trên đỉnh đê không vượt quá tiêu chuẩn H10; áp lực ngang hông bên móng được giả thiết bằng không ($\sigma_{VO} = 0$).
    • Địa chất nền: Nền đất sét yếu, bùn sét có các chỉ tiêu cơ lý tương tự nền ven biển đồng bằng Nam Bộ.
    • Vật liệu kết cấu: Khối nêm có mặt vát chế tạo từ đất yếu tại chỗ trộn xi măng và phụ gia, được giả thiết làm việc như một cố thể trong tính toán.

Tổng quan tài liệu và vị trí của luận án

Các hướng nghiên cứu nền móng trên đất yếu được điểm lại

Luận án đã hệ thống hóa các công trình nghiên cứu lý thuyết và thực tiễn trong và ngoài nước:

  1. Lý thuyết cơ học đất kinh điển về sức chịu tải nền móng nông:

    • Terzaghi (1943): Phương trình tính tải trọng giới hạn của nền đồng nhất, đẳng hướng chịu tải trọng thẳng đứng $p_{gh} = N_c c + N_q \sigma_{VO} + \frac{1}{2} N_\gamma \gamma B$.
    • Vesić (1963, 1975): Phân loại ba dạng phá hoại trượt của nền đất dưới móng nông (cắt tổng quát, cắt cục bộ, cắt xuyên) và tiêu chí xác định tải trọng giới hạn dựa trên điểm uốn của đường cong quan hệ tải trọng – độ lún (tiêu chí độ dốc nhỏ nhất và độ lún đạt ngưỡng $0{,}1B$).

  2. Giải pháp móng Top-base (Nhật Bản và Hàn Quốc):

    • Nghiên cứu phát triển từ thập niên 1980 tại Nhật Bản và đầu thập niên 1990 tại Hàn Quốc: Cấu tạo gồm các khối Top-block bê tông (gồm phần nón cụt vát $45^\circ$, phần trụ và phần cọc) xếp ken sít nhau, điền đầy đá dăm vào khoảng hở và khóa mặt bằng sàn bê tông cốt thép. Thí nghiệm hiện trường cho thấy móng Top-base làm giảm độ lún cố kết từ 59% đến 95%, tăng sức chịu tải từ 50% đến 200% so với nền tự nhiên, góc khuếch tán ứng suất $\beta \approx 30^\circ$.
    • Jeong và các cộng sự (2011): Công bố đăng ký áp dụng sáng chế Top-base tại Hoa Kỳ.
    • Công thức giải tích truyền thống: $q' = K \cdot q$ với hệ số giảm ứng suất $K = \left[\frac{B}{B + 2H \tan\beta}\right]^2$, bộc lộ nhược điểm chỉ phụ thuộc hình học chiều sâu $H$ và góc $\beta$ mà chưa xét đến độ cứng móng, tải trọng và biến dạng nén của tầng đất nền bên dưới.
    • Nguyễn Ngọc Phúc (2014): Thiết lập phương trình cân bằng lực của một Top-block độc lập $q \cdot S = q' \cdot S_1' + f_1 \cdot S_1 \cdot \cos 45^\circ + f_2 \cdot V$, xác định $K = 0{,}526$ (với loại D500) và $K = 0{,}528$ (với loại D330). Hạn chế của công thức này là tính toán tĩnh học giải tích đơn lẻ, chưa xét tương tác nhóm khối nêm, bề rộng móng, chiều sâu vùng chịu nén và chưa được kiểm chứng qua mô hình số hay mô hình vật lý.

  3. Giải pháp móng gia cố khối (MS - Mass Stabilization, Phần Lan):

    • Nghiên cứu đầu thập niên 1990 tại Phần Lan: Sử dụng thiết bị trộn nông chuyên dụng gắn trống nhào trộn xi măng và phụ gia (hàm lượng 100–250 $\text{kg/m}^3$) trực tiếp vào đất yếu tại chỗ dưới đáy khối đắp.
    • Công thức tính lún: $S_m = \frac{q \cdot h}{E}$, trong đó $h$ là chiều dày lớp gia cố, $E$ là mô đun biến dạng. Giải pháp này chưa thiết lập công thức tính toán phân bố ứng suất đáy móng. Mặt khác, nhược điểm tại Nam Bộ là thiết bị thi công có tải trọng lớn, bắt buộc phải làm đường công vụ và đệm đất cấp phối dày 1,0 m rải trên vải địa kỹ thuật, không có lớp thoát nước cố kết bên trong khối gia cố.
Tiêu chí so sánh Móng Top-base Móng gia cố khối (MS) Móng khối nêm đề xuất
Vật liệu chính Bê tông đúc sẵn, đá dăm chèn hở Đất yếu tại chỗ trộn xi măng, phụ gia Đất yếu tại chỗ trộn xi măng + phụ gia, cát chèn
Hình dạng mặt đứng Có phần nón cụt vát $45^\circ$, phần cọc cắm sâu Khối đất trộn hình trụ/khối đặc Khối nêm vát, không có phần cọc
Hình dạng mặt bằng Hình tròn (D330, D500, D1000, D2000) Trụ tròn hoặc khối liền Bát giác đều hoặc tròn
Liên kết bề mặt Sàn bê tông cốt thép khóa mặt Đặt trực tiếp dưới đáy đắp Vải địa kỹ thuật chịu kéo
Trọng lượng bản thân Lớn (tỷ trọng bê tông cao) Tương đương đất tự nhiên Tăng không đáng kể (~6,25% so với đất yếu)
Khả năng thoát nước Thoát nước qua tầng đá dăm Kém (khối đất xi măng đặc ít thấm) Tốt (lớp cát chèn hoạt động như tầng đệm thoát nước)
Thiết bị thi công Cần cẩu, thiết bị cơ giới vừa Thiết bị chuyên dụng hạng nặng Ghép mảng bằng cẩu hoặc thủ công
Phù hợp đê thấp 2-3m Không kinh tế, dư thừa cường độ Chi phí phụ trợ mặt bằng cao Phù hợp điều kiện kỹ thuật - kinh tế

Khoảng trống nghiên cứu luận án giải quyết

Luận án tập trung giải quyết khoảng trống học thuật và kỹ thuật:

  • Đánh giá có hệ thống ảnh hưởng của các thông số hình học (góc vát $\alpha$, dạng mặt bằng bát giác/tròn, tỷ lệ đường kính đỉnh và chiều cao $D/H$) đến sự phân bố ứng suất và biến dạng của nền đê.
  • Khắc phục sự thiếu hụt thực nghiệm mô hình vật lý và kiểm chứng mô hình số về cơ chế truyền lực qua các bề mặt tiếp xúc (mặt vát $S_1$, mặt cát chèn $S_2$, mặt phẳng đáy $S_3$).
  • Xây dựng và hiệu chỉnh công thức giải tích tính ứng suất đáy móng khối nêm có xét đến các đặc trưng cơ lý đất yếu Nam Bộ và tương tác không gian nhiều khối nêm.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết và mô hình tính toán

Luận án kết hợp lý thuyết cân bằng giới hạn, cơ học môi trường liên tục và phương pháp phần tử hữu hạn 3 chiều (3D FEM).

  • Mô hình vật liệu cho đất bùn sét yếu: Đánh giá so sánh giữa mô hình đàn hồi tuyến tính (LE), mô hình Mohr-Coulomb (MC) và mô hình tăng bền đất yếu (Hardening Soil - HS). Mô hình HS được lựa chọn làm mô hình chuẩn nhờ khả năng phản ánh phi tuyến độ cứng phụ thuộc ứng suất thông qua ba mô đun: mô đun biến dạng tham chiếu nén 3 trục $E_{50}^{ref}$, mô đun biến dạng tham chiếu nén 1 trục $E_{oed}^{ref}$, và mô đun dỡ tải/nén lại $E_{ur}^{ref}$.
  • Mô hình vật liệu cho cát chèn: Sử dụng mô hình Mohr-Coulomb (MC) đặc trưng bởi dung trọng bão hòa $\gamma_{bh}$, góc ma sát trong $\varphi$, lực dính $c$, hệ số nở hông $\nu$ và mô đun đàn hồi $E$.
  • Mô hình khối nêm và tấm nén: Mô hình đàn hồi tuyến tính (LE) với độ cứng chống biến dạng lớn hơn nhiều so với đất nền.

Phương pháp nghiên cứu

Luận án áp dụng phương pháp nghiên cứu phối hợp giữa lý thuyết giải tích, thực nghiệm mô hình vật lý, mô phỏng số và tham vấn chuyên gia:

+-------------------------------------------------------------+
|                CƠ SỞ LÝ THUYẾT VÀ THỰC TIỄN                 |
|   - Điều kiện địa chất, hải văn đồng bằng Nam Bộ            |
|   - Lý thuyết cân bằng giới hạn & cơ học móng nông          |
|   - Thiết lập phương trình cân bằng lực giải tích ban đầu   |
+-------------------------------------------------------------+
                               |
                               v
+-------------------------------------------------------------+
|               THỰC NGHIỆM MÔ HÌNH VẬT LÝ (MHVL)             |
|   - Bể thí nghiệm kích thước hữu hạn                        |
|   - Cụm móng 6 khối nêm I-0,5-0,3-45 + đệm cát chèn         |
|   - Cảm biến áp lực tại S1, S2, S3                          |
|   - Đo lún tấm nén & đo trường chuyển vị quang học số (PIV) |
+-------------------------------------------------------------+
                               |
                               v
+-------------------------------------------------------------+
|                     MÔ HÌNH HÓA SỐ 3D                       |
|   - Mô phỏng Plaxis 3D phần tử tứ diện 10 nút               |
|   - Đối chứng, kiểm định và lựa chọn mô hình vật liệu (HS)  |
|   - Mở rộng mô phỏng: góc vát, hình dạng, quy mô nền 6 m    |
+-------------------------------------------------------------+
                               |
                               v
+-------------------------------------------------------------+
|                    KẾT QUẢ VÀ ỨNG DỤNG                      |
|   - Xác định hình dạng hợp lý của khối nêm (alpha = 45 deg) |
|   - Thiết lập công thức giải tích hiệu chỉnh (4.7)          |
+-------------------------------------------------------------+
  1. Nghiên cứu giải tích: Thiết lập phương trình vi phân và phương trình cân bằng lực tĩnh học tác dụng lên các mặt phân chia của khối nêm và lớp cát chèn để tìm hệ số giảm ứng suất lý thuyết.
  2. Nghiên cứu thực nghiệm mô hình vật lý (MHVL):
    • Thí nghiệm trong bể chuyên dụng tại phòng thí nghiệm Viện Thủy công.
    • Kết cấu móng gồm 6 khối nêm hình bát giác $I\text{-}0{,}5\text{-}0{,}3\text{-}45$ chế tạo từ hỗn hợp đất bùn sét, xi măng và phụ gia; khoảng hở chèn cát vàng hạt trung đầm chặt.
    • Hệ thống đo: Tấm nén phẳng truyền tải trọng qua kích thủy lực và khung phản lực; đồng hồ đo lún cơ học ($Se_1, Se_2$); hệ thống cảm biến ứng suất đáy móng bố trí tại các vị trí tiếp xúc then chốt; hệ thống thu thập số liệu tự động DataTaker DT80; hệ thống ghi hình trường chuyển vị mặt cắt đất bằng kỹ thuật đánh dấu mạt cưa và phân tích ảnh số PIV (Particle Image Velocimetry).
  3. Nghiên cứu mô hình số: Sử dụng phần mềm Plaxis 3D với phần tử tứ diện 10 nút (10-node tetrahedral elements), chia lưới rất mịn tại vùng tập trung ứng suất quanh khối nêm và vùng tiếp giáp cát chèn. Mô hình hóa lại chính xác kích thước bể thí nghiệm để hiệu chuẩn thông số đất nền, sau đó mở rộng phân tích bài toán móng đê thực tế với chiều sâu tầng đất yếu 6,0 m.
  4. Phương pháp chuyên gia: Tổ chức các hội thảo khoa học, lấy ý kiến đóng góp và phản biện chuyên sâu từ các nhà khoa học trong lĩnh vực địa kỹ thuật và công trình thủy lợi.

Dữ liệu địa chất công trình đầu vào

Số liệu địa chất sử dụng trong nghiên cứu được tổng hợp từ các lỗ khoan khảo sát đại diện tại các tỉnh ven biển Nam Bộ:

Tỉnh ven biển Loại đất Dung trọng tự nhiên $\gamma_w$ ($\text{kN/m}^3$) Dung trọng khô $\gamma_c$ ($\text{kN/m}^3$) Hệ số rỗng $e_0$ Góc ma sát $\varphi$ (độ, phút) Lực dính $c$ (kPa) Hệ số thấm $k$ ($\text{m/s}$)
Tiền Giang Bùn sét 15,7 9,40 1,745 $3^\circ22'00''$ 3,8 $5{,}21 \times 10^{-8}$
Bến Tre Bùn sét 16,2 10,20 1,495 $3^\circ19'00''$ 7,6 —
Trà Vinh Bùn sét 16,1 9,60 1,750 $6^\circ00'00''$ 7,0 $1{,}20 \times 10^{-8}$
Bạc Liêu Bùn sét 15,7 9,20 1,899 $2^\circ58'00''$ 3,8 $3{,}20 \times 10^{-8}$
Cà Mau Bùn sét 15,0 8,27 2,214 $3^\circ21'00''$ 6,3 $8{,}46 \times 10^{-8}$
Kiên Giang Bùn sét 16,2 9,90 1,752 $2^\circ51'00''$ 6,0 $4{,}60 \times 10^{-8}$

Nội dung chính theo từng chương

Chương I: Tổng quan các giải pháp nền móng đê ở đồng bằng Nam Bộ

Chương I trình bày tổng quan điều kiện tự nhiên, địa hình, chế độ hải văn và đặc điểm địa chất công trình 12 tỉnh đồng bằng Nam Bộ (đặc biệt là 8 tỉnh giáp biển). Địa hình trũng thấp với 93% diện tích có cao độ từ $+0{,}5\text{ m}$ đến $+1{,}5\text{ m}$. Chế độ thủy triều gồm bán nhật triều không đều tại Biển Đông (biên độ 2,5–3,5 m) và nhật triều tại vịnh Thái Lan (biên độ 0,7–1,0 m). Địa chất ven biển phân bố các tầng bùn sét thuộc các phân khu IIb, IIc, IId, V với chiều dày lớn hơn 25 m.

Dựa trên công thức Terzaghi (1943), tác giả tính toán tải trọng giới hạn $p_{gh}$ và chiều cao đê giới hạn $H_{gh}$ trên nền thiên nhiên không gia cố cho các dải đất ven biển:

Tỉnh Loại đất $N_c$ $N_q$ $N_\gamma$ Chiều rộng $B$ (m) $p_{gh}$ (kPa) Chiều cao giới hạn $H_{gh}$ (m)
Tiền Giang Bùn sét 6,01 1,36 0,04 1,0 22,95 1,43
Bến Tre Bùn sét 5,99 1,35 0,04 1,0 45,65 2,85
Trà Vinh Bùn sét 6,81 1,72 0,14 1,0 48,10 3,01
Bạc Liêu Bùn sét 5,89 1,31 0,03 1,0 22,47 1,40
Cà Mau Bùn sét 6,00 1,36 0,04 1,0 37,92 2,37
Kiên Giang Bùn sét 5,86 1,29 0,03 1,0 35,25 2,20

Kết quả chỉ ra chiều cao giới hạn đê trên nền đất tự nhiên hầu hết chỉ đạt từ 1,40 m đến 2,37 m (ngoại trừ Bến Tre và Trà Vinh đạt xấp xỉ 3,0 m), không đáp ứng yêu cầu cao trình thiết kế ngăn triều cường và nước biển dâng. Đánh giá ưu nhược điểm các giải pháp hiện hữu cho thấy móng Top-base và móng gia cố khối (MS) chưa phù hợp điều kiện Nam Bộ. Từ đó, tác giả phân tích tính khả thi của giải pháp móng khối nêm $I\text{-}0{,}5\text{-}0{,}3\text{-}45$ đề xuất năm 2014 và chỉ ra các hạn chế cần giải quyết ở các chương tiếp theo.

Chương II: Cơ sở khoa học của giải pháp móng khối nêm

Chương II tập trung xây dựng cơ sở lý thuyết tính toán móng nông, phân tích các dạng phá hoại trượt dẻo theo tiêu chuẩn Vesić, và thiết lập phương trình cân bằng tĩnh học cho khối nêm.

Tác giả phân tích trạng thái ứng suất tiếp xúc giữa mặt vát của khối nêm, vùng cát chèn và nền đất yếu. Bằng cách thiết lập phương trình cân bằng lực tổng quát trên hệ khối nêm và vùng cát chèn, phân chia tải trọng tác dụng $q$ thành các thành phần ứng suất:

  • $q_1$: Ứng suất đáy móng trong phạm vi mặt vát của khối nêm.
  • $q_2$: Ứng suất đáy móng tại vị trí cát chèn giữa các khối nêm.
  • $q_3$: Ứng suất tại đáy khối nêm ($S_3$) và ứng suất pháp tác dụng lên mặt vát ($S_1$).

Chương này cũng thiết lập mô hình tính toán số 3D bước đầu trên phần mềm Plaxis 3D cho mô hình 1 khối nêm và cụm 6 khối nêm $I\text{-}0{,}5\text{-}0{,}3\text{-}45$ chịu tải trọng phân bố đều $q = 56\text{ kPa}$. Kết quả tính toán giải tích sơ bộ cho thấy ứng suất đáy móng giảm đáng kể nhờ góc vát phân tán lực sang vùng cát chèn xung quanh.

Chương III: Nghiên cứu ứng suất, biến dạng móng khối nêm trên mô hình vật lý

Chương III trình bày toàn bộ quá trình thiết kế, chế tạo, lắp đặt và vận hành thí nghiệm mô hình vật lý (MHVL) tại Viện Thủy công.

+-------------------------------------------------------------+
| Sơ đồ bố trí mặt cắt thí nghiệm móng khối nêm (MHVL)       |
|                                                             |
|           Tải trọng thẳng đứng phân bố đều (q)              |
|        =========================================            |
|        [           TẤM NÉN TRUYỀN LỰC          ]            |
|        -----------------------------------------            |
|        | Cát chèn |  KHỐI NÊM   | Cát chèn | ...            |
|        |   (S2)   |  (S1, S3)   |   (S2)   |                |
|        |          |  (vát 45°)  |          |                |
|        =========================================            |
|        [ Cảm biến S2 ] [ Cảm biến S1, S3 ]                  |
|        ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~            |
|        [        NỀN ĐẤT BÙN SÉT YẾU           ]            |
|        [     (Theo dõi chuyển vị bằng PIV)    ]            |
+-------------------------------------------------------------+
  • Quy mô và thiết bị mô hình:
    • Mô hình bể chứa đất có kích thước được tính toán nhằm loại bỏ hiệu ứng biên.
    • Chế tạo 6 khối nêm bê tông đất (đất bùn trộn xi măng và phụ gia) hình bát giác $I\text{-}0{,}5\text{-}0{,}3\text{-}45$ ($D = 0{,}5\text{ m}, H = 0{,}3\text{ m}, d = 0{,}2\text{ m}, \alpha = 45^\circ$).
    • Bố trí các cảm biến áp lực đất tại đáy mặt vát ($S_1$), đáy lớp cát chèn ($S_2$), và đáy phẳng khối nêm ($S_3$).
    • Sử dụng kích thủy lực tác dụng tải trọng từng cấp qua khung truyền lực lên tấm nén phẳng; độ lún đo tại hai mốc $Se_1, Se_2$.
    • Kỹ thuật PIV: Rải các hạt mạt cưa đánh dấu sát vách kính trong suốt, chụp ảnh số đồng bộ dưới hệ thống đèn chiếu chuẩn để trích xuất trường chuyển vị véc-tơ của nền đất yếu.
  • Kết quả thực nghiệm:
    • Ghi nhận quan hệ tải trọng – độ lún ($p - S$) qua các cấp gia tải. Tại cấp tải trọng $q = 32\text{ kPa}$, trường chuyển vị PIV cho thấy vùng đất yếu dưới đáy khối nêm không bị trượt trồi cục bộ, biến dạng phân bố đều sang hai bên nhờ sự nêm chặt của lớp cát chèn.
    • Số liệu cảm biến áp lực khẳng định ứng suất tiếp xúc đáy móng tại $S_1, S_2, S_3$ giảm rõ rệt so với tải trọng tác dụng ngoài $q$, chứng minh hiệu quả giảm tải và phân phối lại ứng suất của kết cấu khối nêm.

Chương IV: Nghiên cứu hình dạng hợp lý của khối nêm để làm móng đê biển Nam Bộ

Chương IV sử dụng công cụ mô hình số Plaxis 3D để mô phỏng lại toàn bộ thí nghiệm mô hình vật lý nhằm kiểm chứng và lựa chọn mô hình vật liệu, sau đó mở rộng khảo sát các thông số hình học trên nền đê thực tế.

  1. Lựa chọn mô hình vật liệu:

    • So sánh kết quả chuyển vị và ứng suất giữa mô hình vật lý và các mô hình phần tử hữu hạn: Mô hình Hardening Soil (HS) cho kết quả trùng khớp nhất với số liệu quan trắc thực tế của mô hình vật lý, vượt trội so với mô hình Mohr-Coulomb (vốn đánh giá độ cứng không phụ thuộc trạng thái ứng suất). Do đó, mô hình HS được lựa chọn cho toàn bộ các phân tích mở rộng.

  2. Ảnh hưởng của góc vát khối nêm ($\alpha$):

    • Khảo sát các góc vát $\alpha = 0^\circ$ (móng nông đáy phẳng truyền thống), $\alpha = 45^\circ$, và $\alpha = 67^\circ$.
    • Kết quả cho thấy móng đáy phẳng ($\alpha = 0^\circ$) gây tập trung ứng suất lớn ở mép móng, dễ gây phá hoại cắt cục bộ; móng có góc vát $\alpha = 67^\circ$ làm tăng chiều sâu khối nêm nhưng hiệu quả phân tán lực sang cát chèn không tăng tương ứng. Góc vát $\alpha = 45^\circ$ cho sự phân bố ứng suất đồng đều nhất giữa khối nêm và vùng cát chèn, tạo điều kiện thoát nước cố kết tối ưu và tăng khả năng vượt tải của nền.

  3. Ảnh hưởng của hình dạng mặt bằng và kích thước:

    • Phân tích so sánh các dạng mặt bằng bát giác (loại I) và hình tròn (loại II) với các bộ thông số kích thước: $I\text{-}0{,}5\text{-}0{,}3\text{-}45$, $I\text{-}0{,}5\text{-}0{,}5\text{-}45$, $II\text{-}1\text{-}0{,}6\text{-}45$, $II\text{-}1\text{-}1\text{-}45$, $I\text{-}1\text{-}0{,}6\text{-}45$.
    • Khi áp dụng trên bài toán nền đê thực tế với chiều sâu tầng đất yếu 6,0 m, hệ số giảm ứng suất trung bình $K$ đạt từ 0,70 đến 0,90 (tương ứng mức giảm ứng suất đáy móng từ 10% đến 30%).

  4. Thiết lập công thức giải tích hiệu chỉnh:

    • Dựa trên kết quả mô phỏng số và dữ liệu thực nghiệm mô hình vật lý, tác giả hiệu chỉnh phương trình cân bằng giải tích, thiết lập công thức (4.7) cho phép xác định chính xác ứng suất đáy móng khối nêm $q'$ phục vụ tính toán thiết kế thực tế cho các tuyến đê biển Nam Bộ.

Kết quả và những đóng góp mới

Đóng góp mới về mặt khoa học và thực tiễn

Theo công bố trong văn bản luận án, các kết quả và đóng góp mới bao gồm:

  1. Về mặt giải pháp kết cấu và vật liệu: Đề xuất giải pháp khối nêm chế tạo bằng đất bùn sét tại chỗ trộn với xi măng và phụ gia kết hợp cát chèn vào khoảng hở để làm móng đê biển Nam Bộ. Giải pháp tận dụng tối đa nguồn vật liệu địa phương, phân phối lại ứng suất đáy móng theo hướng tăng mức độ an toàn cho nền đê và giảm giá thành xây dựng.
  2. Về mặt mô hình hóa số: Xác định và chứng minh mô hình tăng bền đất yếu (Hardening Soil - HS) trong phần mềm Plaxis 3D là mô hình vật liệu mô phỏng chính xác nhất ứng xử cơ học (ứng suất và biến dạng) của móng khối nêm trên nền đất bùn sét Nam Bộ, thông qua việc đối chứng trực tiếp với kết quả đo đạc từ mô hình vật lý.
  3. Về mặt cơ chế truyền lực và hình học tối ưu: Làm rõ cơ chế phân tán tải trọng của hệ móng khối nêm – cát chèn, chứng minh khả năng làm giảm ứng suất đáy móng trung bình từ 10% đến 30% so với tải trọng tác dụng bên trên. Luận án đã chỉ ra góc vát khối nêm $\alpha = 45^\circ$ là góc vát hợp lý nhất, mang lại sự phân bố ứng suất có lợi nhất cho quá trình cố kết thoát nước và khả năng chịu tải của nền đất yếu.
  4. Về mặt phương pháp tính toán: Thiết lập được công thức giải tích hiệu chỉnh (công thức 4.7) để tính toán ứng suất đáy móng khối nêm có hình dạng hợp lý, tạo cơ sở định lượng để kiểm tra điều kiện ổn định và sức chịu tải của nền đê biển.

Kiến nghị và giải pháp đề xuất

  • Kiến nghị ứng dụng móng khối nêm có góc vát $\alpha = 45^\circ$, mặt bằng hình bát giác hoặc tròn cho các đoạn đê biển xây mới có chiều cao đắp từ 2,0 m đến 3,0 m tại các vùng bãi bùn lầy thụt ven biển đồng bằng Nam Bộ.
  • Kiến nghị quy trình thi công: Đúc sẵn khối nêm tại xưởng hoặc bãi đúc hiện trường; ghép mảng lắp đặt hoặc đặt thủ công vào vị trí móng; chèn cát hạt trung vào khoảng hở và tưới nước đầm chặt; trải vải địa kỹ thuật chịu kéo lên toàn bộ bề mặt móng trước khi đắp đất thân đê phân lớp đều đặn.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế của nghiên cứu

Căn cứ theo nội dung và phạm vi nghiên cứu được tác giả trình bày:

  • Luận án mới nghiên cứu bài toán chịu tải trọng thẳng đứng phân bố đều (tương ứng khu vực giữa đỉnh đê) với giả thiết áp lực bên móng bằng không ($\sigma_{VO} = 0$), chưa xét đến tác động của tải trọng lệch tâm do mái dốc thân đê hoặc tải trọng động phức tạp.
  • Khối nêm trong các mô hình tính toán được giả thiết là một cố thể (làm việc đàn hồi tuyến tính LE), chưa xét đến khả năng nứt vỡ hoặc biến dạng dẻo nội tại của vật liệu đất - xi măng dưới tác động lâu dài của môi trường nước mặn.
  • Nghiên cứu chưa đi sâu mô phỏng trường dòng thấm không ổn định qua thân và móng đê khi có chênh lệch cột nước triều rút nhanh hoặc sóng biển tràn.

Hướng nghiên cứu tiếp

  • Mở rộng nghiên cứu bài toán móng khối nêm chịu tác dụng đồng thời của tải trọng thẳng đứng, tải trọng ngang và mô men lệch tâm do áp lực sóng biển và triều cường.
  • Nghiên cứu diễn biến thấm, xói ngầm và quá trình cố kết thấm dài hạn của nền đất yếu dưới móng khối nêm trong điều kiện ngập triều định kỳ.
  • Triển khai thí nghiệm hiện trường quy mô thực tế ($1:1$) trên một phân đoạn đê biển thử nghiệm tại đồng bằng Nam Bộ để hoàn thiện quy trình công nghệ thi công và kiểm chứng độ bền lâu của vật liệu đất xi măng trong môi trường biển.

Giá trị tham khảo

Luận án mang lại giá trị tham khảo học thuật và thực tiễn cho nhiều nhóm đối tượng:

  • Nghiên cứu sinh, học viên cao học và giảng viên chuyên ngành Địa kỹ thuật, Thủy công, Xây dựng ven biển:
    • Tham khảo phương pháp luận kết hợp giữa nghiên cứu lý thuyết giải tích, thực nghiệm mô hình vật lý tích hợp kỹ thuật đo quang học ảnh số PIV và mô hình hóa số phần tử hữu hạn 3D (Plaxis 3D).
    • Sử dụng hệ thống số liệu cơ lý đất bùn sét đại diện của 6 tỉnh ven biển đồng bằng sông Cửu Long (Tiền Giang, Bến Tre, Trà Vinh, Bạc Liêu, Cà Mau, Kiên Giang) phục vụ công tác giảng dạy và nghiên cứu địa kỹ thuật.
  • Kỹ sư thiết kế, chuyên gia tư vấn xây dựng công trình thủy lợi - đê điều:
    • Áp dụng quy trình tính toán sức chịu tải nền móng đê biển trên đất yếu theo công thức giải tích hiệu chỉnh (4.7).
    • Tham khảo giải pháp kết cấu móng nông khối nêm thay thế cho các giải pháp đệm cát hay cọc bê tông tốn kém, giúp tối ưu hóa chỉ tiêu kinh tế – kỹ thuật trong xử lý nền đất yếu.
  • Cơ quan quản lý nhà nước và ban quản lý dự án đê điều (Sở NN&PTNT các tỉnh ven biển Nam Bộ, Viện Quy hoạch Thủy lợi):
    • Cung cấp cơ sở khoa học phục vụ lập quy hoạch và dự án đầu tư các tuyến đê biển kiểm soát ngập mặn và ứng phó biến đổi khí hậu giai đoạn đến năm 2030 và 2050.

Câu hỏi thường gặp

1. Móng khối nêm có những điểm khác biệt căn bản nào so với móng Top-base của Nhật Bản và Hàn Quốc?

Móng khối nêm có 8 điểm khác biệt chính được nêu trong luận án:

  • Vật liệu: Khối nêm chế tạo bằng đất yếu tại chỗ trộn xi măng, phụ gia và chèn cát; Top-base dùng bê tông đúc sẵn và chèn đá dăm.
  • Trọng lượng: Móng khối nêm nhẹ hơn, trọng lượng tăng không đáng kể (~6,25%) so với đất nền; Top-base có trọng lượng lớn tác dụng lên nền.
  • Hình dạng mặt đứng: Khối nêm chỉ có phần vát nón cụt/bát giác, không có phần cọc cắm sâu như Top-block.
  • Hình dạng mặt bằng: Khối nêm có mặt bằng hình bát giác hoặc tròn; Top-base có mặt bằng hình tròn.
  • Liên kết khóa mặt: Khối nêm dùng vải địa kỹ thuật chịu kéo; Top-base dùng sàn bê tông cốt thép.
  • Cường độ và tải trọng: Khối nêm có cường độ vật liệu phù hợp với tải trọng đê thấp (2–3 m); Top-base có cường độ cao phục vụ tải trọng nhà và công trình lớn.
  • Giá thành và môi trường: Khối nêm có giá thành hạ, ít ảnh hưởng môi trường do tận dụng tối đa đất đào tại chỗ.

2. Tại sao góc vát $\alpha = 45^\circ$ lại được xác định là hình dạng hợp lý nhất cho khối nêm?

Kết quả phân tích mô hình số so sánh giữa các góc vát $\alpha = 0^\circ$, $\alpha = 45^\circ$ và $\alpha = 67^\circ$ chỉ ra rằng:

  • Với $\alpha = 0^\circ$ (móng phẳng), ứng suất tập trung mạnh ở mép móng, dễ gây biến dạng trượt cắt cục bộ.
  • Với $\alpha = 67^\circ$, chiều cao khối nêm tăng lên làm tăng thể tích vật liệu gia cố nhưng hiệu quả phân bố ứng suất sang lớp cát chèn không tăng tương ứng.
  • Với $\alpha = 45^\circ$, ứng suất thẳng đứng được chuyển đổi hiệu quả thành các thành phần ứng suất tiếp xúc pháp tuyến và tiếp tuyến, tạo ra sự phân bố ứng suất đáy móng đồng đều nhất giữa khối nêm và vùng cát chèn, thúc đẩy quá trình thoát nước cố kết nhanh và nâng cao khả năng chịu vượt tải của nền đất yếu.

3. Khả năng làm giảm ứng suất đáy móng của giải pháp móng khối nêm đạt bao nhiêu và theo cơ chế nào?

Theo kết quả nghiên cứu mô hình vật lý và mô hình số, móng khối nêm giúp giảm ứng suất đáy móng trung bình từ 10% đến 30% so với tải trọng tác dụng bên trên. Cơ chế giảm ứng suất hoạt động thông qua:

  • Mặt nghiêng vát $45^\circ$ của khối nêm mở rộng diện tích tiếp xúc với nền lên khoảng 1,4 lần, tương tự cơ chế tiếp xúc của bánh xích xe máy công trình.
  • Lực thẳng đứng từ thân đê được phân tách thành hai thành phần lực truyền vào mặt vát khối nêm và ép chặt lớp cát chèn xung quanh, giúp ứng suất phân bố rộng và đều hơn xuống nền đất yếu bên dưới.

4. Trong mô phỏng số Plaxis 3D, mô hình vật liệu nào phản ánh chính xác nhất ứng xử của đất bùn sét Nam Bộ?

Luận án đã phân tích và so sánh ba mô hình: Đàn hồi tuyến tính (LE), Mohr-Coulomb (MC) và Hardening Soil (HS). Kết quả đối chứng trực tiếp với số liệu đo lún và cảm biến ứng suất trên mô hình vật lý khẳng định mô hình Hardening Soil (HS) là mô hình phù hợp nhất. Mô hình HS mô tả được tính phi tuyến của độ cứng đất nền phụ thuộc vào trạng thái ứng suất thông qua các tham số mô đun $E_{50}^{ref}$, $E_{oed}^{ref}$ và $E_{ur}^{ref}$, phản ánh sát thực tế biến dạng của bùn sét yếu khi chịu nén.

5. Lớp cát chèn giữa các khoảng hở của khối nêm giữ vai trò kỹ thuật gì?

Lớp cát chèn giữ hai vai trò kỹ thuật quan trọng trong kết cấu móng khối nêm:

  • Truyền lực và nêm chặt: Cát chèn điền đầy khoảng hở giữa các khối nêm, khi chịu nén ép từ mặt vát, cát được đầm chặt và cùng tham gia chịu lực, phân phối lại ứng suất đáy móng đồng đều xuống tầng đất yếu.
  • Thoát nước cố kết: Cát chèn có hệ số thấm lớn, đóng vai trò như một hệ thống tầng đệm thoát nước cục bộ cho nền đê, giúp rút ngắn thời gian thoát nước lỗ rỗng và đẩy nhanh quá trình cố kết, tắt lún của nền bùn sét yếu có hệ số thấm rất nhỏ.

Kết luận

Luận án của nghiên cứu sinh Đỗ Thế Quynh đã giải quyết bài toán xác định hình dạng hợp lý của khối nêm làm móng đê biển Nam Bộ thông qua nghiên cứu lý thuyết, thực nghiệm mô hình vật lý và mô hình số phần tử hữu hạn 3D. Kết quả nghiên cứu khẳng định khối nêm có góc vát $\alpha = 45^\circ$ kết hợp cát chèn giúp giảm từ 10% đến 30% ứng suất truyền xuống nền bùn sét yếu, đồng thời thiết lập công thức giải tích hiệu chỉnh (4.7) phục vụ tính toán móng đê. Công trình cung cấp giải pháp kỹ thuật móng nông đúc sẵn tận dụng vật liệu đất tại chỗ, đáp ứng yêu cầu ổn định và giảm giá thành xây dựng đê biển trong điều kiện biến đổi khí hậu tại đồng bằng Nam Bộ.