Luận Văn Thạc Sĩ Về Ổn Định và Biến Dạng Tường Kè Rạch Khai Luông, Cần Thơ

Luận văn thạc sĩ địa kỹ thuật xây dựng phân tích ổn định và biến dạng tường kè rạch khai luông tại Cần Thơ, mang lại cái nhìn sâu sắc về công trình.

• Tác giả: Trần Mỹ Thanh Lâm
• Người hướng dẫn: TS. Đỗ Thanh Hải
• Trường học: Đại học Quốc gia thành phố Hồ Chí Minh - Trường Đại học Bách Khoa
• Chuyên ngành: Địa Kỹ Thuật Xây Dựng
• Đề tài: Phân Tích Ổn Định và Biến Dạng Tường Kè Rạch Khai Luông Tại Cần Thơ
• Loại tài liệu: luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2014
• Địa điểm: Cần Thơ

Mục lục chi tiết

• LỜI CẢM ƠN
• LỜI CAM ĐOAN
• TÓM TẮT
• ABSTRACT
• MỞ ĐẦU
• Tính cấp thiết của đề tài
• Nội dung nghiên cứu
• Phương pháp nghiên cứu
• Nghiên cứu về lý thuyết
• Mô phỏng tính toán bằng phương pháp phần tử hữu hạn
• Tính khoa học và thực tiễn của đề tài
• Hạn chế của đề tài
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ỔN ĐỊNH CỦA CÔNG TRÌNH TƯỜNG KÈ VEN SÔNG
• 1.1. Tổng quan về đất yếu
• 1.2. Các dạng tường kè
• 1.2.1. Các dạng tường cọc bản bảo vệ công trình ven sông
• 1.2.1.1. Theo vật liệu có thể chia thành các dạng sau
• 1.2.1.2. Theo cách giữ tường ổn định: có thể chia thành 2 loại là tường có neo và tường không neo
• 1.2.2. Các dạng neo trong tường kè
• 1.3. Ổn định của tường kè ven sông
• 1.4. Một số sự cố tường kè
• 2. CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT TÍNH TOÁN ỔN ĐỊNH VÀ BIẾN DẠNG TƯỜNG KÈ
• 2.1. Sự làm việc của tường
• 2.1.1. Phương pháp 1: Dựa vào lý thuyết áp lực đất tác dụng lên tường chắn của Coulumb (lý thuyết cân bằng giới hạn)
• 2.1.1.1. Xác định áp lực chủ động Coulomb đất dính
• 2.1.1.2. Xác định áp lực bị động Coulomb đất dính
• 2.1.1.3. Xác định chuyển vị đỉnh tường
• 2.1.2. Phương pháp 2: Xem tường cọc bản là dầm đàn hồi biến dạng cục bộ theo phương ngang (lý thuyết tính dầm đàn hồi theo hệ số nền Winkler)
• 2.1.3. Phương pháp 3: Phương pháp phần tử hữu hạn
• 2.2. Phân tích biến dạng của tường cọc bản trên nền đất yếu ven sông
• 2.2.1. Đối với cọc không neo
• 2.2.2. Đối với cọc có 1 neo
• 2.3. Xác định áp lực ngang tác dụng lên tường kè
• 2.3.1. Bài toán 1: Tường cọc bản không có neo
• 2.3.2. Bài toán 2: Tường cọc bản đóng trong đất có neo
• 3. CHƯƠNG 3: PHÂN TÍCH ỔN ĐỊNH VÀ BIẾN DẠNG TƯỜNG KÈ BẢO VỆ BỜ SÔNG RẠCH KHAI LUÔNG CÁI KHẾ TP. CẦN THƠ
• 3.1. Giới thiệu về công trình
• 3.2. Đặc điểm địa hình – địa chất công trình
• 3.2.1. Vị trí công trình
• 3.2.2. Mặt cắt kè
• 3.2.2.1. Kè không neo
• 3.2.3. Điều kiện địa hình - thủy văn
• 3.2.4. Điều kiện địa chất
• 3.2.4.1. Nền đất gồm các lớp đất sau đây
• 3.2.4.2. Số liệu chỉ tiêu cơ lý trung bình
• 3.3. Phân tích ổn định tường kè bằng phương pháp giải tích
• 3.3.1. Phương pháp tính toán và kiểm tra
• 3.3.2. Kết quả tính toán bằng phương pháp giải tích
• 3.3.3. Xem xét sự thay đổi vị trí neo ảnh hưởng đến chiều dài của tường
• 3.3.4. Chuyển vị đỉnh tường kè
• 3.4. Phân tích ổn định và biến dạng của tường kè bằng phương pháp phần tử hữu hạn
• 3.4.1. Các thông số đất nền theo mô hình Hardening-Soil
• 3.4.2. Mô phỏng tính toán
• 3.5. Phân tích kết quả tính toán
• KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
• Hướng nghiên cứu tiếp theo
• TÀI LIỆU THAM KHẢO
• TÓM TẮT LÝ LỊCH HỌC VIÊN

Tóm tắt

I. Giới thiệu về đề tài

Đề tài "Phân Tích Ổn Định và Biến Dạng Tường Kè Rạch Khai Luông tại Cần Thơ" tập trung vào việc phân tích ổn định và biến dạng của tường kè trong điều kiện địa chất cụ thể của khu vực Cần Thơ. Trong bối cảnh sạt lở bờ sông ngày càng gia tăng, việc tìm kiếm giải pháp thiết kế tường kè hiệu quả là rất cần thiết. Tường kè rạch là một phần quan trọng trong việc bảo vệ bờ sông, giúp giảm thiểu thiệt hại do thiên tai gây ra. Nghiên cứu này không chỉ mang tính lý thuyết mà còn có ứng dụng thực tiễn cao, nhằm cung cấp cơ sở cho các quyết định thiết kế công trình trong tương lai.

1.1 Tính cấp thiết của đề tài

Thành phố Cần Thơ, nằm trong khu vực Đồng bằng sông Cửu Long, đang phải đối mặt với nhiều vấn đề liên quan đến sạt lở bờ sông. Các biến dạng tường kè không chỉ ảnh hưởng đến an toàn công trình mà còn gây thiệt hại lớn cho cộng đồng. Việc nghiên cứu và phân tích ổn định của tường kè trong điều kiện địa chất cụ thể sẽ giúp đưa ra các giải pháp thiết kế hợp lý, đảm bảo an toàn và hiệu quả kinh tế. Từ đó, có thể bảo vệ được các công trình ven sông và phát triển bền vững khu vực này.

II. Tổng quan về ổn định của công trình tường kè

Trong chương này, các khái niệm cơ bản về ổn định công trình và các dạng tường kè sẽ được trình bày. Tường kè có thể được phân loại theo nhiều tiêu chí như vật liệu, cách giữ tường ổn định. Tường kè rạch thường được thiết kế để chịu tải trọng từ đất và nước, đồng thời cần đảm bảo không bị biến dạng lớn. Các dạng tường kè như tường cọc bản, tường bê tông cốt thép, và tường gỗ sẽ được phân tích chi tiết. Đặc biệt, các dạng neo trong tường kè cũng sẽ được đề cập, bởi chúng đóng vai trò quan trọng trong việc giữ ổn định cho tường kè trong điều kiện địa chất yếu.

2.1 Các dạng tường kè

Tường kè có thể chia thành nhiều dạng khác nhau dựa trên vật liệu và phương pháp thi công. Ví dụ, tường cọc bản được sử dụng phổ biến tại Cần Thơ, với các loại như tường cọc gỗ, tường bê tông cốt thép, và tường cọc thép. Mỗi loại tường có ưu và nhược điểm riêng, ảnh hưởng đến khả năng chịu tải và độ bền của công trình. Việc lựa chọn loại tường kè phù hợp với điều kiện địa chất là rất quan trọng nhằm đảm bảo an toàn và hiệu quả kinh tế trong xây dựng.

III. Cơ sở lý thuyết tính toán ổn định và biến dạng tường kè

Phân tích ổn định của tường kè được thực hiện thông qua nhiều phương pháp khác nhau, bao gồm phương pháp giải tích và phương pháp phần tử hữu hạn. Các lý thuyết như lý thuyết áp lực đất của Coulomb và lý thuyết dầm đàn hồi sẽ được áp dụng để xác định áp lực tác dụng lên tường kè. Sự biến dạng của tường kè dưới tác động của tải trọng cũng sẽ được tính toán. Các kết quả từ các phương pháp này sẽ được so sánh để xác định tính chính xác và độ tin cậy trong thiết kế.

3.1 Phương pháp tính toán

Trong nghiên cứu này, phương pháp phân tích ổn định được áp dụng bao gồm cả phương pháp giải tích và phương pháp phần tử hữu hạn. Phương pháp giải tích sử dụng lý thuyết áp lực đất để tính toán áp lực chủ động và bị động tác dụng lên tường kè. Phương pháp phần tử hữu hạn, đặc biệt là mô phỏng bằng phần mềm Plaxis, giúp mô phỏng và phân tích chính xác hơn về biến dạng tường kè trong điều kiện thực tế. Kết quả từ hai phương pháp này sẽ được so sánh để đánh giá tính khả thi và độ tin cậy của thiết kế.

IV. Phân tích ổn định và biến dạng tường kè bảo vệ bờ sông rạch Khai Luông

Phân tích ổn định và biến dạng của tường kè rạch Khai Luông được thực hiện dựa trên các số liệu địa chất cụ thể của khu vực. Các yếu tố như điều kiện địa hình, thủy văn và tính chất cơ lý của đất nền sẽ được xem xét. Kết quả tính toán cho thấy rằng việc thiết kế tường kè cần phải đảm bảo các tiêu chí về ổn định và độ bền, đồng thời phải tính đến các yếu tố môi trường như dòng chảy và xói lở. Việc nghiên cứu này không chỉ có giá trị lý thuyết mà còn mang tính ứng dụng cao trong thực tiễn.

4.1 Kết quả tính toán

Kết quả từ các phương pháp phân tích cho thấy rằng tường kè không được thiết kế đúng cách có thể dẫn đến biến dạng lớn và mất ổn định. Đặc biệt, trong trường hợp tường kè có neo, sự thay đổi vị trí neo có ảnh hưởng đáng kể đến chiều dài và độ ổn định của tường. Việc áp dụng phương pháp phần tử hữu hạn cho thấy sự chính xác cao hơn so với phương pháp giải tích, từ đó giúp đưa ra các khuyến nghị thiết kế hợp lý cho tường kè trong khu vực.

V. Kết luận và kiến nghị

Từ các kết quả nghiên cứu, có thể rút ra rằng việc phân tích ổn định và biến dạng của tường kè rạch Khai Luông là rất cần thiết trong bối cảnh hiện nay. Các giải pháp thiết kế cần phải được điều chỉnh để phù hợp với điều kiện địa chất của khu vực. Nghiên cứu này mở ra hướng đi mới cho việc thiết kế các công trình ven sông, đảm bảo tính ổn định và an toàn trong dài hạn. Đề xuất cần có thêm các nghiên cứu thực tế để thu thập dữ liệu và cải thiện mô hình tính toán.

5.1 Hướng nghiên cứu tiếp theo

Để nâng cao độ tin cậy của các kết quả nghiên cứu, cần có các nghiên cứu thực địa để thu thập dữ liệu về tình trạng tường kè hiện tại. Ngoài ra, việc phát triển các mô hình tính toán mới, có khả năng mô phỏng chính xác hơn về hành vi của tường kè trong điều kiện thực tế cũng là một hướng đi quan trọng. Các giải pháp thiết kế cần được tối ưu hóa để đáp ứng yêu cầu về an toàn và kinh tế, đồng thời bảo vệ môi trường.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Khu vực Đồng bằng sông Cửu Long nói chung và thành phố Cần Thơ nói riêng có mạng lưới sông ngòi chằng chịt, đối mặt với tình trạng sạt lở bờ sông diễn ra ngày càng nghiêm trọng. Điển hình tại rạch Bò Ót thuộc quận Thốt Nốt, một đoạn bờ sông dài 165m đã bị sạt lở nghiêm trọng; sự cố trượt lở tại rạch Cam (quận Bình Thủy) và khu vực cầu Trà Niền (huyện Phong Điền) cũng gây thiệt hại lớn cho hạ tầng giao thông và nhà cửa. Các giải pháp kè truyền thống như kè tre nứa, kè rọ đá hay tường chắn trọng lực bằng bê tông cốt thép thường xuyên xảy ra tình trạng mất ổn định trượt sâu và biến dạng chuyển vị ngang quá mức do nền đất bùn sét có sức kháng cắt không thoát nước cực kỳ thấp, giá trị xuyên tiêu chuẩn N nhỏ hơn 2 và chỉ số xuyên tĩnh Su dưới 12,5 kPa.

Công trình kè bảo vệ bờ rạch Khai Luông thuộc cồn Cái Khế, phường Cái Khế, quận Ninh Kiều, thành phố Cần Thơ được quy hoạch xây dựng với tổng mức đầu tư gần 68 tỷ đồng. Tuyến kè có tổng chiều dài gần 2.000m, chiều cao thân kè 2,4m, đường hành lang ven sông rộng 2,5m, đặt tại khu vực chịu ảnh hưởng trực tiếp của chế độ bán nhật triều không đều với biên độ triều lớn nhất lên tới 3,8m và mực nước thiết kế dao động từ -0,40m đến +2,10m.

Mục tiêu trọng tâm của nghiên cứu là phân tích ổn định tổng thể và biến dạng ngang của tường cọc bản bê tông cốt thép trong điều kiện địa chất phức tạp tại rạch Khai Luông. Đề tài tập trung giải quyết bài toán tối ưu hóa chiều dài cọc ngàm trong đất và độ sâu đặt tầng neo, khắc phục độ lệch biến dạng vượt mức 49% giữa các mô hình tính toán cổ điển và mô phỏng số, từ đó thiết lập quy trình thiết kế an toàn, bền vững và tiết kiệm từ 10% đến 15% kinh phí xây lắp.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu ứng dụng đồng thời ba hệ thống lý thuyết nền tảng trong cơ học đất và địa kỹ thuật công trình ven sông:

Lý thuyết cân bằng giới hạn Coulomb: Phương pháp phân tích trạng thái giới hạn dẻo của khối trượt sau lưng tường để xác định áp lực đất chủ động và áp lực đất bị động. Đối với nền đất dính bão hòa nước trong điều kiện không thoát nước, hệ số áp lực đất chủ động và bị động được chuẩn hóa với góc ma sát trong tính toán, kết hợp hệ số an toàn áp lực bị động từ 1,5 đến 2,0 để xác định chiều sâu ngàm lý thuyết của chân cọc.

Lý thuyết dầm trên nền đàn hồi Winkler cải tiến: Xem tường cọc bản đóng sâu vào đất như một thanh dầm chịu uốn biến dạng ngang, trong đó tương tác giữa kết cấu và đất nền được mô hình hóa qua hệ số nền tăng tuyến tính theo chiều sâu theo phương pháp Zavriev. Phương trình vi phân uốn bậc 4 được thiết lập kết hợp với hàm biến dạng của Urban nhằm xác định đường cong chuyển vị, góc xoay, mô men uốn và lực cắt dọc thân cọc.

Lý thuyết đàn dẻo phi tuyến Hardening Soil: Mô hình mô phỏng ứng xử thực tế của đất nền khi chịu biến dạng dẻo không phục hồi và hiện tượng nén cứng theo ứng suất. Mô hình khai thác các tham số độ cứng cát tuyến trong thí nghiệm nén 3 trục thoát nước E50ref, mô đun tiếp tuyến không nở hông Eoedref, mô đun dỡ tải và nén lại Eurref = 3E50ref, cùng hệ số Poisson dỡ tải ur = 0,20 tại mức ứng suất tham chiếu tiêu chuẩn pref = 100 kPa.

Các khái niệm cốt lõi được chuẩn hóa trong nghiên cứu gồm: áp lực ngang ròng tác dụng lên tường cọc bản, chuyển vị ngang đỉnh kè, chiều sâu chôn cọc ngàm trong nền đất yếu, và hiệu ứng tương tác kết cấu - neo - nền đất nhiều lớp.

Phương pháp nghiên cứu

Dữ liệu địa kỹ thuật được thu thập từ hệ thống hố khoan khảo sát địa chất công trình dọc tuyến kè rạch Khai Luông dài gần 2.000m với 4 lớp địa tầng đặc trưng:

• Lớp 1: Bùn sét pha màu xám nâu đen, trạng thái chảy, dung trọng tự nhiên 17,7 kN/m³, dung trọng đẩy nổi 7,0 kN/m³, hệ số rỗng ban đầu e0 = 1,40, lực dính kết c = 8,5 kN/m², góc ma sát trong 4°33', mô đun biến dạng E1-2 = 2.486 kN/m².
• Lớp 2: Cát pha xám nâu đen ở trạng thái dẻo, góc ma sát trong 6°12'.
• Lớp 3: Sét đến sét pha dẻo chảy, góc ma sát trong 8°43'.
• Lớp 4: Sét pha xám nâu ở trạng thái dẻo mềm.

Phương pháp tính toán kết hợp giải tích truyền thống và mô phỏng số phần tử hữu hạn 2D qua phần mềm Plaxis. Đất nền được chia thành lưới phần tử tam giác 15 nút với các phần tử tiếp xúc giao diện đặc biệt nhằm mô tả chính xác sự trượt tương đối giữa cọc bê tông cốt thép và đất bùn sét. Phương pháp phân tích số được lựa chọn do khả năng mô phỏng quá trình thi công phân đợt, tác động của áp lực nước lỗ rỗng và biến động mực nước triều từ -0,40m đến +2,10m. Nghiên cứu được triển khai liên tục trong khung thời gian từ ngày 10/02/2014 đến ngày 20/06/2014.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Quá trình tính toán giải tích và mô phỏng phần tử hữu hạn trên mặt cắt địa chất kè rạch Khai Luông mang lại bốn phát hiện then chốt:

Thứ nhất, phương án thiết kế tường cọc bản không neo (công xôn) trong nền đất bùn sét yếu tại Cần Thơ hoàn toàn không khả thi về mặt kỹ thuật. Áp lực đất chủ động sau lưng tường vượt quá sức kháng bị động của lớp bùn sét có góc ma sát chỉ 4°33', dẫn đến hiện tượng mất ổn định xoay quanh chân cọc và hình thành cung trượt sâu phá hoại toàn bộ mái kè.

Thứ hai, đối với kết cấu tường cọc bản có neo, vị trí tầng neo giữ vai trò quyết định đến chiều dài cọc yêu cầu. Tính toán giải tích chứng minh rằng khi hạ điểm đặt neo sâu thêm 1,0m so với đỉnh tường cọc bản, chiều dài tính toán của cọc bản phải thay đổi dao động từ 4% đến 20% để duy trì sự cân bằng lực cắt và mô men uốn.

Thứ ba, phân tích số trên Plaxis ghi nhận chuyển vị ngang đỉnh tường cọc bản tăng tỷ lệ thuận với độ sâu đặt neo. Trung bình khi hạ cao trình đặt thanh neo xuống sâu thêm 1,0m, chuyển vị ngang tại đỉnh tường kè tăng thêm 6,88%, làm gia tăng đáng kể nguy cơ nứt gãy dầm mũ và sụt lún hành lang đi bộ 2,5m ven sông.

Thứ tư, có sự sai lệch rất lớn giữa phương pháp giải tích và phương pháp phần tử hữu hạn. Kết quả giải tích cho giá trị chuyển vị đỉnh tường nhỏ hơn nhiều so với mô phỏng Plaxis, với độ lệch giữa hai phương pháp vượt trên 49%.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân cốt lõi dẫn đến độ lệch trên 49% giữa giải tích và phương pháp số nằm ở các giả thiết cơ bản. Phương pháp giải tích Coulomb giả định tường tuyệt đối cứng và đất nền sau lưng tường đạt trạng thái cân bằng giới hạn tĩnh đồng thời, bỏ qua độ võng cục bộ của thân cọc và biến dạng dẻo tích lũy của đất bùn sét có hệ số nén lún a1-2 = 0,044 cm²/daN.

Ngược lại, mô hình Hardening Soil trong phần tử hữu hạn phân tích chính xác tương tác đàn dẻo phi tuyến và hiện tượng suy giảm mô đun biến dạng E50 khi ứng suất lệch tăng cao. Trên các biểu đồ phân bố chuyển vị ngang theo chiều sâu, đường cong Plaxis thể hiện rõ dạng uốn cong hình cánh cung với đỉnh chuyển vị tập trung ở phần tự do trên lòng sông sâu -4,69m, trong khi bảng đối chiếu nội lực chỉ ra mô men cực đại trong thân cọc tăng mạnh khi thanh neo bị dịch chuyển khỏi vị trí tối ưu. Điều này khẳng định nếu chỉ áp dụng thuần túy công thức giải tích cổ điển, công trình sẽ đối mặt với nguy cơ biến dạng vượt ngưỡng cho phép trong giai đoạn triều kiệt -0,40m.

Đề xuất và khuyến nghị

Nhằm bảo đảm an toàn kỹ thuật và tối ưu hóa hiệu quả đầu tư cho công trình kè rạch Khai Luông và các dự án kè ven sông tại Đồng bằng sông Cửu Long, bốn nhóm giải pháp hành động được kiến nghị:

Áp dụng quy trình thiết kế kiểm tra hai bước: Ban Quản lý dự án và các đơn vị tư vấn thiết kế cần sử dụng phương pháp giải tích để định cỡ sơ bộ chiều sâu cắm cọc với hệ số an toàn bị động FS từ 1,5 đến 2,0, sau đó bắt buộc hiệu chỉnh trên mô hình phần tử hữu hạn Hardening Soil. Chiều sâu ngàm cọc thực tế vào các lớp đất dẻo số 2 và số 3 phải tăng từ 30% đến 40% so với chiều sâu lý thuyết, bảo đảm hệ số an toàn trượt tổng thể đạt trên 1,30 trong vòng 12 tháng trước khi phê duyệt bản vẽ thi công.

Tối ưu hóa cao trình đặt thanh neo: Đơn vị thiết kế cần bố trí hệ dầm neo và cáp neo cách đỉnh tường cọc bản trong khoảng từ 0,3m đến 0,5m, tuyệt đối tránh hạ neo sâu quá 1,0m nhằm khống chế mức gia tăng chuyển vị đỉnh kè dưới ngưỡng 3,5%, giảm thiểu ứng suất uốn cục bộ tác dụng lên cọc bê tông cốt thép.

Thiết lập hệ thống quan trắc chuyển vị tự động: Nhà thầu thi công và đơn vị giám sát phải triển khai lắp đặt ống đo độ nghiêng thân cọc (Inclinometer) và mốc đo lún bề mặt dọc tuyến kè 2.000m với tần suất đo đạc 15 ngày một lần trong 6 tháng đầu thi công và 1 tháng một lần trong 24 tháng vận hành, duy trì giới hạn cảnh báo chuyển vị ngang đỉnh kè không vượt quá 35mm.

Gia cố ổn định mái dốc và chống xói chân kè: Đơn vị thi công cần rải lớp vải địa kỹ thuật kết hợp tầng lọc ngược và đắp lăng thể đá hộc bảo vệ chân kè dày tối thiểu 1,2m tại cao trình đáy sông -4,69m, nhằm triệt tiêu hiện tượng xói ngầm do dòng chảy và áp lực thủy động khi biên độ triều dao động 3,8m.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

Công trình nghiên cứu mang lại giá trị học thuật và ứng dụng thực tiễn cao cho bốn nhóm đối tượng chính:

Kỹ sư thiết kế địa kỹ thuật và công trình thủy: Tiếp cận phương pháp luận chuẩn xác trong việc tính toán áp lực đất ngang ròng, hiểu rõ độ sai lệch trên 49% giữa giải tích và mô phỏng số để tránh tính toán thiếu chuyển vị khi thiết kế tường cọc bản bê tông dự ứng lực trên nền đất bùn sét.

Ban Quản lý dự án hạ tầng đô thị và Chủ đầu tư ven sông: Sử dụng các số liệu đối chiếu chi phí và phân tích kết cấu có neo nhằm tối ưu hóa tổng mức đầu tư 68 tỷ đồng, kiểm soát chất lượng hồ sơ thiết kế và ngăn ngừa sự cố nứt trượt bờ kè gây thất thoát ngân sách.

Giảng viên, nghiên cứu sinh và học viên cao học chuyên ngành Xây dựng: Khai thác bộ số liệu địa chất chi tiết gồm 4 lớp đất thực tế tại Cần Thơ và quy trình thiết lập tham số mô hình Hardening Soil trong phần mềm Plaxis phục vụ công tác giảng dạy, nghiên cứu chuyên sâu về động lực học công trình ngầm.

Đơn vị tư vấn giám sát và nhà thầu xây lắp công trình thủy lợi: Ứng dụng quy chuẩn kiểm soát chiều sâu ngàm cọc thực tế tăng 30% đến 40% và quy trình quan trắc chuyển vị định kỳ trong suốt quá trình thi công ép cọc bản và kéo căng thanh neo.

Câu hỏi thường gặp

Tại sao không thể sử dụng tường cọc bản không neo (công xôn) cho bờ kè rạch Khai Luông? Địa tầng tại rạch Khai Luông có lớp bùn sét chảy dày với lực dính chỉ 8,5 kN/m² và góc ma sát trong 4°33'. Tường không neo đòi hỏi chiều sâu chôn cọc cực lớn nhưng vẫn phát sinh mô men uốn vượt quá sức chịu tải của bê tông và chuyển vị đỉnh không kiểm soát được, gây sạt lở toàn bộ thân kè cao 2,4m.

Độ sâu đặt thanh neo ảnh hưởng như thế nào đến độ ổn định của tường kè? Khi hạ tầng neo sâu thêm 1,0m so với đỉnh cọc, chiều dài cọc tính toán theo giải tích biến thiên từ 4% đến 20%, đồng thời chuyển vị đỉnh tường trong mô hình số tăng trung bình 6,88%. Việc bố trí neo quá sâu làm mất tác dụng kìm giữ đỉnh tường, dẫn đến biến dạng xoay bất lợi.

Vì sao chuyển vị đỉnh cọc tính bằng giải tích lại lệch hơn 49% so với mô phỏng Plaxis? Phương pháp giải tích Coulomb giả định đất ở trạng thái cân bằng giới hạn tĩnh và thân tường cứng tuyệt đối. Trong khi đó, Plaxis sử dụng mô hình Hardening Soil mô tả biến dạng dẻo liên tục, xét đến độ cứng uốn thực của cọc và sự gia tăng áp lực nước lỗ rỗng khi mực nước sông hạ xuống -0,40m.

Cần xử lý chiều sâu đóng cọc thực tế như thế nào so với kết quả tính toán lý thuyết? Trong thiết kế thực tế trên nền đất bùn sét có sức chịu tải Su dưới 25 kPa, chiều sâu đóng cọc thực tế bắt buộc phải lấy tăng từ 30% đến 40% so với chiều sâu lý thuyết, tức Dthực = (1,3 đến 1,4) Dlý thuyết, kết hợp áp dụng hệ số an toàn bị động FS từ 1,5 đến 2,0.

Biến động mực nước triều tại Cần Thơ tác động ra sao đến áp lực đất tác dụng lên kè? Chế độ bán nhật triều với biên độ chênh lệch cực đại lên tới 3,8m tạo ra hiện tượng rút nước nhanh từ cao trình đỉnh +2,10m xuống đáy triều -0,40m. Dòng thấm ngược làm tăng đột ngột áp lực đất chủ động ròng sau lưng tường, đòi hỏi lớp đất đắp cát phải có hệ số thấm cao và bố trí tầng lọc ngược hoàn chỉnh.

Kết luận

• Đã phân tích toàn diện cơ chế làm việc của tường cọc bản bê tông cốt thép bảo vệ bờ rạch Khai Luông dài gần 2.000m trong điều kiện địa chất bùn sét đặc thù tại thành phố Cần Thơ.
• Khẳng định tường cọc bản không neo không khả thi; phương án có neo là giải pháp kỹ thuật bắt buộc để kiểm soát chuyển vị ngang thân kè cao 2,4m.
• Chứng minh quy luật khi độ sâu đặt neo hạ thấp 1,0m thì chuyển vị đỉnh cọc tăng 6,88% và chiều dài cọc giải tích thay đổi từ 4% đến 20%.
• Xác định độ lệch tính toán biến dạng giữa phương pháp giải tích và phương pháp phần tử hữu hạn vượt trên 49%, thiết lập cơ sở khoa học để loại bỏ rủi ro sai số thiết kế.
• Đề xuất áp dụng hệ số gia tăng chiều sâu chôn cọc thực tế từ 1,3 đến 1,4 lần so với lý thuyết kết hợp hệ số an toàn áp lực bị động từ 1,5 đến 2,0.

Nghiên cứu đóng góp cơ sở dữ liệu thực nghiệm quan trọng và quy trình tính toán liên kết giải tích - số, hỗ trợ đắc lực cho công tác quy hoạch, thiết kế và thi công hệ thống kè chống sạt lở ven sông tại Cần Thơ và Đồng bằng sông Cửu Long. Trong lộ trình 12 đến 24 tháng tới, các cơ quan quản lý cần mở rộng nghiên cứu quan trắc chuyển vị thực tế trên các tuyến kè tương tự để hoàn thiện hệ tiêu chuẩn thiết kế chuyên ngành. Các kỹ sư và chủ đầu tư hạ tầng ven sông hãy áp dụng ngay quy trình tính toán kép này nhằm bảo đảm công trình đạt chuẩn an toàn, mỹ quan đô thị và hiệu quả kinh tế bền vững.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Đặt vấn đề: Từ tháng 5/2012 đến nay, trên địa bàn các quận, huyện Bình Thủy, Cái Răng, Phong Điền, Ninh Kiều, Ki ốt Thốt Nốt liên tiếp xảy ra sự cố nứt, lở bờ sông gây thiệt hại. Tại khu vực Thới Thạnh 2, phường Thới Thuận, quận Thốt Nốt (bờ kênh Bò Ót) từ cầu Bò Ót trở ra sông Hậu), bờ sông có dấu hiệu sạt lở với một đoạn dài 165 mét.1 Sạt lở bờ rạch Cam quận Bình Thủy - Cần Thơ Để khắc phục hiện tượng sạt lở, có nhiều giải pháp tường chắn đã được thực hiện như: tường chắn bêtông cốt thép, tường bêtông trọng lực, bờ kè bằng rọ đá, bờ kè bằng thép hình … Tường cọc bản cũng là một phương án được chọn để bảo vệ bờ sông, các công trình ven bờ, hiện nay đang được ứng dụng tại một số công trình tương đối quan trọng. Nhu cầu về thiết kế công trình tường kè phù hợp với điều kiện địa chất khu vực là một nhu cầu có thực, việc tìm ra được giải pháp an toàn với chi phí hợp lý là mong muốn của rất nhiều kỹ sư xây dựng hiện nay. Tổng quan về đất yếu Đất yếu là loại đất không có khả năng tiếp nhận trực tiếp tải trọng từ công trình.

Hiện nay, không có định nghĩa rõ ràng về đất yếu và phần lớn các nước trên thế giới thống nhất định nghĩa về nền đất yếu theo sức kháng cắt không thoát nước Su và trị số xuyên tiêu chuẩn N như sau: - Đất rất yếu: Su ≤ 12.5 kPa hoặc N<2 - Đất yếu: Su ≤ 25 kPa hoặc N<4 Theo tiêu chuẩn Việt Nam TCXD 245:2000, đất yếu được định nghĩa như sau: “là đất yếu nếu ở trạng thái tự nhiên độ ẩm của chúng gần bằng hoặc cao hơn giới hạn chảy hệ số rỗng lớn, lực dính C theo cắt nhanh không thoát nước 0.15daN/cm2 trở xuống, góc nội ma sát từ 0o đến 10o hoặc lực dính từ kết quả cắt cánh hiện trường Cu≤ 0.35daN/cm2” Địa chất ở Đồng bằng sông Cửu Long hầu hết là đất yếu, đặc biệt là khu vực sông Hậu, gồm đất bùn sét, á sét trạng thái chảy dễ bị xói lở khi có tác động bên ngòai. Các lớp cát xen kẹp trong lớp sét, bùn sét thường là cát mịn trạng thái chảy, khi có nước ngầm chúng dễ bị cuốn trôi gây nên hiện tượng xói ngầm làm sạt lở các khối đất bên trên. Các dạng tường kè 3.1 Các dạng tường cọc bản bảo vệ công trình ven sông Tường cọc bản là loại tường mềm được phân loại theo các cách sau: 3.1 Theo vật liệu có thể chia thành các dạng sau: + Tường cọc bản gỗ + Tường bằng cọc đất trộn xi măng + Tường cọc bản thép + Tường cọc bản bêtông cốt thép * Tường cọc bản gỗ 5 Hình 1.2 Bờ kè dạng tường cừ bằng gỗ Cấu tạo: Các cọc gỗ được xẻ nguyên cây có tiết diện vuông, tròn có mộng để nối lại với nhau. Tường chắn đất là các tấm gỗ dày 6  8cm xếp chồng lên nhau.

Có dầm ốp bằng gỗ trên đỉnh tường. Phần trên đỉnh tường là mái nghiêng bằng đá hộc có tầng lọc ngược, độ dốc m = 1:1,5. Để tránh va đập, người ta đóng gia cường thêm cọc gỗ phía ngoài để chịu va đập của thuyền bè. Phạm vi sử dụng: Thường được sử dụng ở vùng nông thôn, làm bến đò nhỏ, bến bốc dở hàng hóa nhẹ, các bến cảng có chiều sâu nhỏ.

Xây dựng ở những nhánh sông rạch có tốc độ dòng chảy nhỏ, không bị ảnh hưởng lớn của ngập lũ. Ưu điểm: Giá thành thấp do tận dụng cây gỗ có tại địa phương (như: tràm, đước, mắm, bạch đàn, dừa…), dễ thi công, dễ gia cố sửa chữa, thay thế. Nhược điểm: Tuổi thọ không cao, gỗ dễ bị mục khi do thủy triều lên xuống. Dễ bị hư hỏng hoàn toàn khi bị xói lở và ngập lũ.

* Tường cọc bản bằng đất trộn ximăng Cấu tạo: Các cọc đất trộn ximăng tiếp xúc khích nhau hoặc giao nhau để chống đỡ các vách hố đào hoặc chịu áp lực đất. Cừ vây bằng ximăng được thi công bằng thiết bị khoan có thể phun vữa gồm cát ximăng và nước ra xung quanh thân ống trộn với đất, cánh của lưỡi khoan có đường kính khỏang 0,3 đến 0,45m. Có thể cắm lồng thép hoặc thép hình vào khi vữa còn ướt. 6 Phạm vi sử dụng: Sử dụng trong việc chống vách hố đào cho tầng hầm các công trình Ưu điểm: Có thể thi công trong nhiều lọai đất khác nhau Nhược điểm: Khả năng kín nước kém vì có thể có những khỏang hở giữa hai cừ.

Khả năng chịu áp lực ngang không lớn như tường bằng bêtông cốt thép nên tùy chiều sâu và lọai đất mà phải thi công nhiều lớp cừ. * Tường cừ bản bằng thép Cấu tạo: Tường cừ chắn đất làm bằng thép định hình có tiết diện: hình chữ Z, chữ I, hình máng, cừ Larsen, thép ống… có chiều dài từ 5  22m. Dầm ốp có cấu tạo là 2 thanh thép chữ I đặt cao hơn mực nước thi công 0,5m. Dầm mũ bằng BTCT có tiết diện hình chữ nhật đổ tại chỗ.

Các thanh neo bằng thép tròn 75, 80. Mũ giữ thanh neo làm dầm BTCT. Phạm vi sử dụng: Làm bờ kè có qui mô lớn, làm bến cảng nước sâu cho tàu có trọng tải lớn, bốc dở hàng hóa nặng. Xây dựng bảo vệ xói lở khu trung tâm dân cư, bảo vệ các công trình quan trọng ven sông.

Ưu điểm: Tuổi thọ cao, tính công nghiệp lắp ghép cao, thi công nhanh. Chịu được những nơi có tốc độ dòng chảy lớn, bị ngập lũ sâu. Nhược điểm: Giá thành cao do phải nhập cừ thép định hình từ nước ngoài. Thép bị ăn mòn ở những vùng có nước nhiễm phèn, nhiễm mặn.

Loại này ít dùng ở đồng bằng Sông Cửu Long.3 Một số hình dạng và liên kết của tường cọc bản bằng thép Hình 1.4 Cừ thép dùng làm tường cọc bản 8 Hình 1.5 Tường cọc bản bằng thép bảo vệ công trình * Tường cừ bản bêtông cốt thép Cấu tạo: Cọc bản bằng BTCT, có nhiều dạng tiết diện, cọc bản tiếp nhận trực tiếp áp lực của lớp đất đắp đất. Dầm mũ bằng BTCT đổ tại chỗ, liên kết các đầu cọc bản, tiếp nhận lực của cọc bản truyền vào, sau đó dầm mũ truyền lực qua cọc vây và dầm neo. Dầm neo bằng BTCT đúc sẵn, hoặc thép hình có tăng đơ Phạm vi sử dụng: Làm bờ kè có qui mô lớn, làm bến cảng nước sâu cho tàu có trọng tải lớn, bốc dở hàng hóa nặng. Xây dựng bảo vệ xói lở khu trung tâm dân cư, bảo vệ các công trình quan trọng ven sông.

Ưu điểm: Bờ kè bằng BTCT kết cấu bền vững, tuổi thọ cao, dễ thi công. Tận dụng được vật liệu có sẵn, giá thành thấp hơn so với thép định hình. Được dùng rộng rãi ở ĐBSCL, ở những nơi ngập lũ sâu, tốc độ dòng chảy lớn, xói lở bờ mạnh. - Nhược điểm: Khi thi công các cọc bản ghép lại với nhau, các mối nối khó khít nhau khi đóng cọc bản vào đất.6 Các dạng mặt cắt tường cọc bản bêtông cốt thép Hình 1.7 Tường cọc bản bêtông cốt thép bảo vệ bờ sông 10 3.2 Theo cách giữ tường ổn định: có thể chia thành 2 loại là tường có neo và tường không neo CAÙP NEO TÖÔØNG COÏC BAÛN TÖÔØNG COÏC BAÛN GIAÈNG COÏC NEO a.

Töôøng khoâng neo b. Töôøng coù neo Hình 1. Tường cọc bản không neo và b. Tường cọc bản có neo 3.2 Các dạng neo trong tường kè - Các dạng neo sau được sử dụng phổ biến trong tường cọc bản: - Bản neo và dầm neo: Bản neo thường là các tấm bêtông nối với tường bằng các thanh neo.

Các thanh neo được chống ăn mòn bằng các lớp sơn hoặc asphalt bảo vệ. - Thanh neo: Có cấu tạo gồm một khối bêtông đúc tại chỗ trong lòng đất và nối với tường bằng các thanh neo hoặc dây cáp chịu kéo. - Cọc neo thẳng đứng: sử dụng các thanh neo để neo tường vào các cọc đóng thẳng đứng. Dùng cho các trường hợp có lực ngang nhỏ - Các dầm neo trên các cọc xiên: Sử dụng thanh neo hoặc cáp neo để neo tường vào các cọc xiên chịu nhổ.

Sử dụng trong các trường hợp có lực ngang lớn. - Các dạng neo trong tường kè (hình 1.9) 11 CAÙP NEO CAÙP NEO TÖÔØNG COÏC BAÛN TÖÔØNG COÏC BAÛN KHOÁI BEÂTOÂNG NEO GIAÈNG GIAÈNG COÏC NEO a. Neo baèng khoái beâtoâng coá ñònh b. Neo baèng coïc neo hay töôøng neo DAÀM NEO CAÙP NEO CAÙP NEO TÖÔØNG COÏC BAÛN TÖÔØNG COÏC BAÛN GIAÈNG NHOÙM COÏC NEO BAÀU NEO c.

Neo baèng daàm coù coïc xieân choáng ñôû Hình 1.9 Các dạng neo trong tường kè 4. Ổn định của tường kè ven sông Các dạng mất ổn định của tường kè được chia thành 3 loại chính sau: - Mất ổn định do trượt tổng thể :trượt sâu, mặt trượt đi qua chân cọc (hình 1.11) - Mất ổn định do phá hoại về kết cấu : tường không đủ chịu tải trọng ngang, hệ thống neo không đảm bảo, ăn mòn vật liệu, xói lở …. Mặt trượt khi đó sẽ đi qua thân cọc (hình 1.13) - Mất ổn định do thiên tai.10 Tường cọc bản bị mất ổn định do bị trượt sâu Hình 1.11 Tường cọc bản mất ổn định do chiều sâu ngàm không đủ (phá hoại xoay) 13 Hình 1.12 Tường cọc bản bị phá hoại do bị gãy Hình 1.13 Tường cọc bản bị phá hoại do neo 14 5. Một số sự cố tường kè Hình 1.14 Bờ kè cầu Trà Niền Phong Điền (Cần Thơ) bị sạt lở 6.

Nhận xét Đất yếu là một trong những đối tượng nghiên cứu và xử lý phức tạp, đòi hỏi phải khảo sát, phân tích và tính toán một cách kỹ lưỡng. Trong điều kiện phát triển các khu dân cư ven sông, bờ kè bảo vệ công trình phải được xét đến để có thể khai thác hiệu quả công trình. Tuy nhiên, khi lựa chọn phương án xây dựng tường cọc bản vẫn chưa có sự nghiên cứu, so sánh để tìm giải pháp tối ưu mà thường dựa trên cảm tính của người thiết kế, trong khi điều này đòi hỏi phải đánh giá về chiều sâu lớp đất yếu, tải trọng công trình bên trên, chênh lệch chiều sâu giữa đất trước và sau lưng tường ….Việc nghiên cứu giải pháp tường cọc bản để đảm bảo ổn định cho các công trình ven bờ tại Đồng bằng sông Cửu Long là hết sức cần thiết trong điều kiện đất yếu tại khu vực này. 15 CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT TÍNH TOÁN ỔN ĐỊNH VÀ BIẾN DẠNG TƯỜNG KÈ 1.

Sự làm việc của tường Tường cọc bản làm việc thông qua sự cân bằng giữa áp lực đất chủ động và áp lực đất bị động của khối đất trước và sau tường.