Tổng quan nghiên cứu

Khu vực Đồng bằng sông Cửu Long (ĐBSCL), đặc biệt là thành phố Cần Thơ, đang đối mặt với vấn đề sạt lở bờ sông nghiêm trọng do đặc điểm địa chất phức tạp với lớp đất yếu có độ dày lớn. Theo khảo sát thực tế, các công trình kè ven sông tại đây thường chịu chuyển vị lớn, gây ảnh hưởng tiêu cực đến sự ổn định và tuổi thọ công trình. Việc san lấp đất phía sau tường kè cũng làm gia tăng áp lực lên công trình, làm tăng nguy cơ lún và biến dạng. Mục tiêu nghiên cứu là phân tích ổn định công trình kè bằng giải pháp móng cọc kết hợp bản bê tông cốt thép tại khu vực Ninh Kiều, thành phố Cần Thơ, nhằm đề xuất phương án thiết kế tối ưu, đảm bảo an toàn và hiệu quả kinh tế.

Nghiên cứu được thực hiện trong khoảng thời gian từ tháng 7 đến tháng 12 năm 2016, tập trung vào điều kiện địa chất đặc thù của khu vực Ninh Kiều với các lớp đất yếu như bùn sét pha, cát pha và sét có độ dày từ 2 đến hơn 45 mét. Việc mô phỏng ổn định công trình được thực hiện bằng phần mềm Plaxis với các mô hình 2D và 3D, cho phép đánh giá chi tiết trạng thái ứng suất và biến dạng của hệ thống kè trên nền đất yếu. Kết quả nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc nâng cao chất lượng thiết kế và thi công công trình kè, góp phần giảm thiểu thiệt hại do sạt lở và bảo vệ bờ sông tại ĐBSCL.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn áp dụng hai lý thuyết cơ bản trong tính toán ổn định công trình kè và móng cọc:

  1. Lý thuyết áp lực đất Rankine và Coulomb: Đây là các lý thuyết cơ bản để xác định áp lực đất chủ động và bị động tác dụng lên tường chắn. Lý thuyết Rankine dựa trên giả thiết mặt trượt phẳng và không có ma sát giữa đất và tường, trong khi Coulomb xem xét ma sát và góc nghiêng mặt trượt, phù hợp với điều kiện thực tế hơn. Các hệ số áp lực đất được tính toán theo công thức:

[ K_a = \tan^2\left(45^\circ - \frac{\varphi}{2}\right), \quad K_p = \tan^2\left(45^\circ + \frac{\varphi}{2}\right) ]

với $\varphi$ là góc ma sát trong của đất.

  1. Lý thuyết móng cọc chịu tải trọng ngang theo tiêu chuẩn Việt Nam TCVN 10304:2014: Phương pháp này sử dụng mô hình nén Winkler để mô phỏng phản ứng của đất nền dưới tải trọng ngang, kết hợp với tính toán mômen uốn và lực cắt dọc thân cọc. Các tham số như hệ số phản lực nền, mômen uốn tối đa và chuyển vị ngang được xác định để đánh giá khả năng chịu lực và ổn định của móng cọc.

Các khái niệm chính bao gồm: áp lực đất chủ động và bị động, mô hình nén Winkler, mômen uốn thân cọc, lực cắt dọc thân cọc, chuyển vị ngang và đứng của công trình.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu chính bao gồm kết quả khảo sát địa chất thực tế tại khu vực Ninh Kiều, thành phố Cần Thơ, với các mẫu đất được lấy từ các hố khoan sâu đến 45 mét, phân tích chỉ tiêu cơ lý như độ ẩm, độ rỗng, sức kháng cắt, trọng lượng thể tích, và các chỉ tiêu nén ba trục CU. Tổng cộng khoảng 10 mẫu đất được thí nghiệm để xác định đặc tính cơ lý phục vụ mô phỏng.

Phương pháp phân tích sử dụng phần mềm Plaxis phiên bản mới nhất, mô phỏng theo cả sơ đồ 2D và 3D nhằm đánh giá trạng thái ứng suất và biến dạng của công trình kè trên nền đất yếu. Cỡ mẫu mô phỏng bao gồm toàn bộ hệ thống móng cọc và bản bê tông cốt thép với kích thước thực tế, được phân tích dưới các tải trọng tác dụng như tải trọng đất, tải trọng nước, tải trọng san lấp và tải trọng ngang do sóng và tàu thuyền.

Timeline nghiên cứu kéo dài 6 tháng, từ tháng 7 đến tháng 12 năm 2016, bao gồm các bước: thu thập dữ liệu địa chất, phân tích chỉ tiêu cơ lý, xây dựng mô hình số, chạy mô phỏng và đánh giá kết quả.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Chuyển vị lớn của công trình kè trên nền đất yếu: Mô phỏng cho thấy tổng chuyển vị ngang của hệ thống kè đạt khoảng 170,95 mm, chuyển vị đứng khoảng 682,20 mm, trong đó chuyển vị đứng chiếm phần lớn do đặc tính nén lún của lớp đất yếu. Chuyển vị ngang của cọc bê tông cốt thép tiết diện D300 là khoảng 195,9 x 10⁻³ m, mômen uốn tối đa 14,66 kNm/m, lực cắt dọc thân cọc đạt -9,84 kN.

  2. Ảnh hưởng của tải trọng san lấp và áp lực đất chủ động: Việc san lấp phía sau tường kè làm tăng áp lực đất lên tường, gây gia tăng độ lún và áp lực ngang lên móng cọc. Áp lực đất chủ động được tính theo lý thuyết Rankine và Coulomb dao động trong khoảng 15-30 kN/m² tùy theo chiều sâu và đặc tính đất.

  3. Hiệu quả của giải pháp móng cọc kết hợp bản bê tông cốt thép: Giải pháp này giúp phân bố tải trọng đều lên nền đất yếu, giảm mômen uốn và lực cắt dọc thân cọc so với các phương án móng đơn lẻ. Mô hình 3D cho thấy sự ổn định tổng thể của công trình được cải thiện rõ rệt, với mômen uốn thân cọc giảm khoảng 20% so với mô hình 2D.

  4. Tính toán áp lực nước và áp lực đất bị động: Áp lực nước thủy tĩnh và áp lực đất bị động được xác định chi tiết, giúp đánh giá chính xác tải trọng ngang tác động lên công trình trong các điều kiện mực nước thay đổi. Áp lực nước dao động từ 0 đến 2,3 m chiều cao nước, tương ứng áp lực thủy tĩnh lên đến 22 kN/m².

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính dẫn đến chuyển vị lớn là do đặc tính địa chất khu vực Ninh Kiều với lớp đất yếu dày, có độ nén cao và sức kháng cắt thấp (góc ma sát trong khoảng 14°-30°). Tải trọng san lấp và tác động của sóng, tàu thuyền làm tăng áp lực ngang lên công trình, gây biến dạng lớn nếu không có giải pháp móng phù hợp.

So sánh với các nghiên cứu trong khu vực ĐBSCL, kết quả mô phỏng phù hợp với thực tế khi các công trình kè truyền thống thường gặp hiện tượng lún và nứt do tải trọng ngang vượt quá khả năng chịu lực của nền đất. Việc sử dụng móng cọc bê tông cốt thép kết hợp bản bê tông giúp tăng cường khả năng chịu lực ngang và giảm chuyển vị, đồng thời tiết kiệm vật liệu và chi phí thi công so với các giải pháp móng sâu khác.

Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ chuyển vị ngang và đứng theo chiều sâu, bảng so sánh mômen uốn và lực cắt dọc thân cọc giữa các phương án thiết kế, cũng như biểu đồ áp lực đất chủ động và bị động theo chiều sâu.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Áp dụng giải pháp móng cọc bê tông cốt thép kết hợp bản bê tông cho công trình kè ven sông tại Cần Thơ: Giải pháp này cần được triển khai trong vòng 12 tháng tới nhằm đảm bảo ổn định công trình trước mùa mưa lũ, giảm thiểu rủi ro sạt lở.

  2. Tăng cường khảo sát địa chất chi tiết tại các vị trí xây dựng công trình: Đề nghị các chủ đầu tư và đơn vị thi công thực hiện khảo sát sâu và phân tích chỉ tiêu cơ lý đất nền để điều chỉnh thiết kế móng phù hợp, đặc biệt với các lớp đất yếu có độ dày lớn.

  3. Sử dụng phần mềm mô phỏng số như Plaxis để đánh giá ổn định công trình trước khi thi công: Việc mô phỏng 3D giúp dự báo chính xác biến dạng và ứng suất, từ đó tối ưu hóa thiết kế và giảm chi phí sửa chữa sau này.

  4. Xây dựng hệ thống giám sát chuyển vị và áp lực đất trong quá trình thi công và vận hành công trình: Giám sát liên tục giúp phát hiện sớm các dấu hiệu bất ổn, từ đó có biện pháp xử lý kịp thời, đảm bảo an toàn công trình.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Kỹ sư thiết kế công trình giao thông thủy và kè ven sông: Nghiên cứu cung cấp cơ sở lý thuyết và phương pháp tính toán chi tiết, giúp thiết kế móng cọc và tường chắn đất phù hợp với điều kiện đất yếu.

  2. Chủ đầu tư và nhà thầu xây dựng công trình ven sông tại ĐBSCL: Tham khảo để lựa chọn giải pháp móng tối ưu, giảm thiểu rủi ro sạt lở và chi phí bảo trì.

  3. Các nhà nghiên cứu và sinh viên ngành kỹ thuật xây dựng công trình ngầm và nền móng: Tài liệu tham khảo phong phú về lý thuyết áp lực đất, mô hình nén Winkler và ứng dụng phần mềm Plaxis trong mô phỏng công trình.

  4. Cơ quan quản lý và quy hoạch đô thị tại các vùng có nền đất yếu: Hỗ trợ trong việc xây dựng các tiêu chuẩn kỹ thuật và quy định về thiết kế công trình kè, góp phần bảo vệ môi trường và phát triển bền vững.

Câu hỏi thường gặp

  1. Tại sao công trình kè ven sông ở Cần Thơ lại gặp vấn đề sạt lở nghiêm trọng?
    Do đặc điểm địa chất với lớp đất yếu dày, áp lực nước và đất lớn, cùng tác động của sóng và tàu thuyền làm tăng tải trọng ngang, gây chuyển vị và lún lớn.

  2. Giải pháp móng cọc bê tông cốt thép có ưu điểm gì so với móng truyền thống?
    Móng cọc giúp phân bố tải trọng đều, tăng khả năng chịu lực ngang, giảm chuyển vị và mômen uốn, đồng thời tiết kiệm vật liệu và chi phí thi công.

  3. Phần mềm Plaxis được sử dụng như thế nào trong nghiên cứu này?
    Plaxis mô phỏng trạng thái ứng suất và biến dạng của công trình trên nền đất yếu theo mô hình 2D và 3D, giúp đánh giá ổn định và tối ưu thiết kế.

  4. Các chỉ tiêu cơ lý đất nền quan trọng nhất trong thiết kế móng là gì?
    Góc ma sát trong, độ ẩm, độ rỗng, sức kháng cắt, trọng lượng thể tích và các chỉ tiêu nén ba trục CU là các thông số quan trọng để xác định khả năng chịu lực của đất.

  5. Làm thế nào để giám sát ổn định công trình kè trong quá trình thi công?
    Sử dụng các thiết bị đo chuyển vị ngang, chuyển vị đứng và áp lực đất, kết hợp phân tích dữ liệu định kỳ để phát hiện sớm các dấu hiệu bất ổn và xử lý kịp thời.

Kết luận

  • Công trình kè ven sông tại khu vực Ninh Kiều, Cần Thơ chịu chuyển vị lớn do đặc điểm nền đất yếu và tải trọng ngang cao.
  • Giải pháp móng cọc bê tông cốt thép kết hợp bản bê tông cốt thép được chứng minh là hiệu quả trong việc nâng cao ổn định công trình.
  • Mô phỏng bằng phần mềm Plaxis giúp đánh giá chính xác trạng thái ứng suất và biến dạng, hỗ trợ tối ưu thiết kế.
  • Khảo sát địa chất chi tiết và giám sát công trình trong quá trình thi công là cần thiết để đảm bảo an toàn và bền vững.
  • Đề xuất áp dụng giải pháp móng cọc trong vòng 12 tháng tới nhằm giảm thiểu rủi ro sạt lở và bảo vệ bờ sông tại ĐBSCL.

Luận văn này là tài liệu tham khảo quý giá cho các kỹ sư, nhà nghiên cứu và cơ quan quản lý trong lĩnh vực xây dựng công trình ngầm và nền móng trên nền đất yếu. Để nâng cao hiệu quả thiết kế và thi công, các bên liên quan nên phối hợp chặt chẽ trong việc khảo sát, mô phỏng và giám sát công trình.