Tổng quan nghiên cứu

Thành phố Mỹ Tho, tỉnh Tiền Giang, là trung tâm văn hóa, kinh tế và xã hội của vùng Đồng bằng sông Cửu Long, với chiều dài bờ sông Tiền bao quanh khoảng 13 km. Do ảnh hưởng của biến đổi khí hậu và tác động của dòng chảy, hiện tượng sạt lở bờ sông Tiền diễn ra nghiêm trọng, gây ảnh hưởng tiêu cực đến sinh hoạt người dân và phát triển kinh tế - xã hội địa phương. Để ứng phó, dự án xây dựng công trình tường kè cọc bản bằng bê tông cốt thép (BTCT) với chiều dài 2.625 m đã được triển khai, với tổng kinh phí đầu tư trên 500 tỷ đồng.

Mục tiêu nghiên cứu của luận văn là đánh giá ổn định và biến dạng của tường kè cọc bản trong điều kiện địa chất đặc thù khu vực ven sông Tiền, thành phố Mỹ Tho, nhằm theo dõi sự ổn định công trình theo thời gian và đề xuất giải pháp giảm chi phí xây dựng. Phạm vi nghiên cứu tập trung vào đoạn tường kè tại các phường 1, 4, 6, với dữ liệu khảo sát thực địa và phân tích kỹ thuật từ năm 2014. Kết quả nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc bảo vệ bờ sông, cải tạo đô thị, đồng thời làm cơ sở khoa học cho các dự án tương tự trong khu vực Đồng bằng sông Cửu Long.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn áp dụng các lý thuyết và mô hình cơ bản trong địa kỹ thuật xây dựng để phân tích ổn định tường kè, bao gồm:

  • Thuyết áp lực đất Coulomb: Xác định áp lực chủ động và bị động của đất tác dụng lên tường chắn dựa trên nguyên lý cân bằng giới hạn và giả thiết mặt trượt phẳng. Lý thuyết này cho phép tính toán áp lực đất trong các trạng thái chuyển vị khác nhau của tường.

  • Thuyết áp lực đất Rankine: Giả định không có ma sát giữa tường và đất, đất trong trạng thái cân bằng giới hạn phân bố đều trong khối đất, dùng để tính hệ số áp lực đất chủ động và bị động trong điều kiện đất nằm ngang.

  • Phương pháp đồ giải Culmann và Trial-Wedge: Các phương pháp này dùng để xác định áp lực đất trong trường hợp tải trọng phụ phân bố phức tạp hoặc có lực dính, thông qua việc vẽ đa giác lực và xác định mặt trượt nguy hiểm.

  • Mô hình phần tử hữu hạn (FEM): Sử dụng phần mềm Plaxis để mô phỏng ứng xử kết cấu tường kè và nền đất, phân tích biến dạng và ổn định theo thời gian.

Các khái niệm chính bao gồm áp lực đất chủ động, áp lực đất bị động, hệ số áp lực đất (Kₐ, Kₚ), lực dính đất, góc ma sát trong, hệ số an toàn ổn định, và mặt trượt nguy hiểm.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu chính bao gồm số liệu khảo sát địa chất thực địa tại khu vực xây dựng tường kè, các thông số cơ lý đặc trưng của đất (độ dẻo, trọng lượng riêng, lực dính, góc ma sát), cùng với số liệu tải trọng thực tế và thiết kế công trình.

Phương pháp phân tích kết hợp:

  • Tính toán áp lực đất theo lý thuyết Coulomb và Rankine, áp dụng các phương pháp đồ giải Culmann và Trial-Wedge để xác định áp lực trong các điều kiện tải trọng khác nhau.

  • Mô phỏng ổn định và biến dạng công trình bằng phần mềm Plaxis (FEM) và Geoslope, với cỡ mẫu mô hình đại diện chiều dài 2.625 m, phân tích các pha tải trọng và biến dạng theo thời gian.

  • Kiểm tra hệ số an toàn ổn định tổng thể theo phương pháp Bishop, đánh giá khả năng chống lật và trượt của tường kè.

Timeline nghiên cứu kéo dài từ khảo sát thực địa, thu thập số liệu, phân tích lý thuyết, mô phỏng số đến tổng hợp kết quả và đề xuất giải pháp trong năm 2014.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Áp lực đất chủ động và bị động: Kết quả tính toán theo lý thuyết Coulomb cho thấy hệ số áp lực chủ động Kₐ dao động trong khoảng 0.3 đến 0.36 tùy thuộc vào góc ma sát và lực dính đất. Áp lực đất bị động lớn hơn đáng kể, với hệ số Kₚ lên đến 3.7 trong điều kiện đất cát và tường thẳng đứng.

  2. Ổn định tổng thể tường kè: Phân tích hệ số an toàn ổn định tổng thể theo phương pháp Bishop cho thấy hệ số an toàn Fₛ trung bình đạt khoảng 1.65, vượt mức yêu cầu tối thiểu 1.5, đảm bảo tường kè ổn định chống lật và trượt trong điều kiện tải trọng thiết kế.

  3. Biến dạng theo thời gian: Mô phỏng FEM cho thấy chuyển vị ngang của tường kè tăng dần theo thời gian, với giá trị chuyển vị tối đa khoảng 15 mm sau 12 tháng sử dụng. Nội lực trong cọc bản cũng tăng theo pha tải trọng, phản ánh sự tương tác giữa kết cấu và nền đất yếu.

  4. Ảnh hưởng tải trọng phụ: Tải trọng phân bố đều và tải trọng tập trung trên mặt đất sau tường làm tăng áp lực ngang lên tường kè từ 10% đến 25%, tùy thuộc vào loại tải trọng và vị trí đặt tải. Việc tính toán áp lực theo phương pháp Culmann và Trial-Wedge cho kết quả tương đồng, khẳng định tính chính xác của mô hình.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính của sự ổn định tốt của tường kè là do thiết kế kết cấu cọc bản BTCT có khả năng chịu tải ngang hiệu quả, đồng thời nền đất được khảo sát kỹ lưỡng và xử lý phù hợp. So sánh với một số nghiên cứu trong nước và quốc tế, hệ số an toàn và biến dạng tường kè tại Mỹ Tho tương đương hoặc tốt hơn, nhờ áp dụng mô hình tính toán hiện đại và dữ liệu thực tế chính xác.

Biểu đồ quan hệ hệ số an toàn - thời gian và chuyển vị ngang - thời gian minh họa rõ sự ổn định lâu dài của công trình, đồng thời cho thấy tầm quan trọng của việc theo dõi biến dạng để kịp thời xử lý khi có dấu hiệu bất thường. Kết quả cũng nhấn mạnh vai trò của tải trọng phụ trong việc gia tăng áp lực đất, cần được tính toán chính xác trong thiết kế.

Việc sử dụng phần mềm Plaxis và Geoslope giúp mô phỏng chi tiết ứng xử công trình, hỗ trợ đánh giá toàn diện hơn so với phương pháp giải tích truyền thống. Kết quả nghiên cứu góp phần nâng cao hiệu quả thiết kế và thi công tường kè trong điều kiện địa chất phức tạp của vùng Đồng bằng sông Cửu Long.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Tăng cường giám sát biến dạng tường kè: Thiết lập hệ thống quan trắc chuyển vị và ứng suất theo thời gian, nhằm phát hiện sớm các dấu hiệu biến dạng bất thường, đảm bảo an toàn công trình trong vòng 5 năm đầu vận hành. Chủ thể thực hiện: Ban quản lý dự án và đơn vị thi công.

  2. Áp dụng công nghệ thi công hiện đại: Sử dụng cọc BTCT có cường độ cao và kỹ thuật thi công chính xác để giảm thiểu sai số và tăng độ bền kết cấu, giảm chi phí bảo trì trong dài hạn. Thời gian áp dụng: các dự án xây dựng tiếp theo trong 3 năm tới.

  3. Tối ưu thiết kế kết cấu mái và chân khay: Điều chỉnh độ dày và vật liệu mái tường, đồng thời gia cố chân khay bằng đá hộc hoặc cọc BTCT phù hợp với điều kiện địa chất để tăng khả năng chịu lực và ổn định. Chủ thể thực hiện: Các đơn vị thiết kế và tư vấn kỹ thuật.

  4. Tính toán chính xác tải trọng phụ và áp lực đất: Áp dụng các phương pháp đồ giải Culmann, Trial-Wedge kết hợp mô phỏng FEM để xác định áp lực đất trong các điều kiện tải trọng phức tạp, từ đó đưa ra giải pháp thiết kế phù hợp. Thời gian thực hiện: trong giai đoạn thiết kế và kiểm định công trình.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Kỹ sư và chuyên gia địa kỹ thuật xây dựng: Nghiên cứu các phương pháp tính toán áp lực đất và ổn định công trình tường kè trong điều kiện địa chất phức tạp, áp dụng vào thiết kế và thi công thực tế.

  2. Nhà quản lý dự án xây dựng công trình ven sông: Hiểu rõ các yếu tố ảnh hưởng đến ổn định tường kè, từ đó đưa ra các quyết định đầu tư, giám sát và bảo trì hiệu quả.

  3. Giảng viên và sinh viên ngành xây dựng, địa kỹ thuật: Tài liệu tham khảo bổ ích về lý thuyết áp lực đất, phương pháp tính toán và mô phỏng phần tử hữu hạn trong công trình bảo vệ bờ sông.

  4. Các cơ quan quản lý đô thị và môi trường: Đánh giá tác động của công trình tường kè đến phát triển đô thị xanh, an toàn và bền vững, đồng thời xây dựng chính sách quản lý phù hợp.

Câu hỏi thường gặp

  1. Tại sao phải tính toán áp lực đất chủ động và bị động?
    Áp lực đất chủ động và bị động phản ánh các trạng thái chuyển vị khác nhau của tường kè, giúp xác định lực tác dụng lên tường trong điều kiện làm việc thực tế, từ đó thiết kế kết cấu an toàn và hiệu quả.

  2. Phương pháp nào phù hợp để tính áp lực đất trong điều kiện tải trọng phức tạp?
    Phương pháp đồ giải Culmann và Trial-Wedge kết hợp mô phỏng FEM là lựa chọn tối ưu, vì chúng cho phép xử lý các trường hợp tải trọng phân bố không đều và có lực dính đất.

  3. Hệ số an toàn ổn định được xác định như thế nào?
    Hệ số an toàn được tính theo tỷ lệ giữa tổng lực chống trượt và tổng lực gây trượt, thường sử dụng phương pháp Bishop để đánh giá ổn định tổng thể của công trình.

  4. Biến dạng tường kè ảnh hưởng thế nào đến tuổi thọ công trình?
    Biến dạng lớn có thể gây nứt, lún không đều và mất ổn định, làm giảm tuổi thọ và tăng chi phí bảo trì. Do đó, theo dõi biến dạng là cần thiết để duy trì hiệu quả công trình.

  5. Làm thế nào để giảm chi phí xây dựng tường kè mà vẫn đảm bảo ổn định?
    Tối ưu thiết kế kết cấu, sử dụng vật liệu phù hợp, áp dụng công nghệ thi công hiện đại và tính toán chính xác tải trọng giúp giảm chi phí mà không ảnh hưởng đến độ bền và ổn định công trình.

Kết luận

  • Nghiên cứu đã xác định được các hệ số áp lực đất chủ động và bị động phù hợp với điều kiện địa chất ven sông Tiền, thành phố Mỹ Tho.
  • Phân tích ổn định tổng thể cho thấy tường kè cọc bản BTCT đảm bảo an toàn với hệ số an toàn trung bình trên 1.6.
  • Mô phỏng FEM minh họa rõ sự biến dạng và nội lực trong kết cấu theo thời gian, hỗ trợ đánh giá hiệu quả công trình.
  • Tải trọng phụ có ảnh hưởng đáng kể đến áp lực đất ngang, cần được tính toán kỹ lưỡng trong thiết kế.
  • Đề xuất các giải pháp giám sát, thi công và thiết kế tối ưu nhằm nâng cao hiệu quả và giảm chi phí xây dựng công trình tường kè.

Tiếp theo, cần triển khai hệ thống quan trắc biến dạng thực tế và áp dụng các giải pháp đề xuất trong các dự án xây dựng tiếp theo. Mời các chuyên gia và nhà quản lý quan tâm nghiên cứu sâu hơn để phát triển các công trình bảo vệ bờ sông bền vững và hiệu quả.