Tổng quan nghiên cứu

Trong những năm gần đây, tình trạng sạt lở và sụt lún cục bộ tại khu vực Đồng bằng sông Cửu Long (ĐBSCL) ngày càng gia tăng, đặc biệt là ở các vùng ven sông. Theo báo cáo của ngành, chỉ riêng tỉnh Cà Mau trong mùa khô năm 2020 đã ghi nhận gần 1.000 điểm sụt lún, sạt lở với tổng chiều dài hơn 21 km, gây ảnh hưởng nghiêm trọng đến hệ thống giao thông và an toàn công trình. Các tuyến đường nông thôn chủ yếu sử dụng đất đắp địa phương, nằm sát kênh đào, nên dễ bị ảnh hưởng bởi đặc điểm địa chất và biến động mực nước sông. Vấn đề ổn định của nền đất yếu dưới nền đường ven sông trở thành thách thức lớn trong xây dựng và bảo trì hạ tầng giao thông khu vực này.

Mục tiêu nghiên cứu tập trung vào việc phân tích và đánh giá khả năng ổn định của nền đất yếu dưới công trình đường đắp ven sông, đặc biệt xét đến ảnh hưởng của các yếu tố như địa hình, sự thay đổi mực nước sông và thủy triều. Nghiên cứu được thực hiện trên phạm vi tỉnh Cà Mau, với dữ liệu thu thập trong giai đoạn từ năm 2020 đến 2022, nhằm cung cấp cơ sở khoa học cho việc thiết kế và xử lý nền đường đắp trong điều kiện địa chất phức tạp của vùng ĐBSCL.

Ý nghĩa của nghiên cứu thể hiện qua việc nâng cao độ tin cậy trong thiết kế công trình đường bộ trên nền đất yếu, giảm thiểu rủi ro sạt lở, sụt lún, đồng thời góp phần phát triển bền vững hệ thống giao thông vùng ven sông. Các chỉ số ổn định nền đường, hệ số an toàn mái dốc và khả năng chịu tải của đất nền được đánh giá chi tiết, giúp các nhà quản lý và kỹ sư xây dựng có căn cứ để lựa chọn giải pháp kỹ thuật phù hợp.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu dựa trên hai lý thuyết và mô hình chính trong địa kỹ thuật xây dựng:

  1. Lý thuyết sức chống cắt của đất (Mohr-Coulomb):
    Độ bền của đất được xác định qua sức chống cắt, biểu diễn bởi công thức:
    $$\tau_f = c + \sigma' \tan \phi'$$
    Trong đó, $$c$$ là lực dính, $$\sigma'$$ là ứng suất hữu hiệu, $$\phi'$$ là góc ma sát trong của đất. Lý thuyết này giúp đánh giá khả năng chịu lực và ổn định của đất nền dưới tải trọng công trình.

  2. Phương pháp cân bằng giới hạn (Limit Equilibrium Methods - LE):
    Phương pháp này phân tích sự ổn định của mái dốc bằng cách giả định mặt trượt và tính toán hệ số an toàn dựa trên cân bằng lực và mômen. Các phương pháp phổ biến như Bishop, Fellenius được sử dụng để xác định mặt trượt yếu nhất và hệ số ổn định mái dốc.

  3. Phương pháp phần tử hữu hạn (Finite Element Method - FEM):
    Sử dụng phần mềm Plaxis 2D để mô phỏng trạng thái ứng suất - biến dạng của nền đất yếu dưới nền đường đắp, cho phép phân tích chi tiết ảnh hưởng của các yếu tố như thay đổi mực nước, địa hình và tải trọng.

Các khái niệm chính bao gồm:

  • Hệ số an toàn (FS): Tỷ lệ giữa sức chống cắt của đất và ứng suất cắt thực tế, dùng để đánh giá mức độ ổn định của nền đường.
  • Mặt trượt giả định: Hình dạng mặt trượt được giả định để tính toán ổn định mái dốc, có thể là mặt trượt tròn, gãy khúc hoặc tổ hợp.
  • Áp lực nước lỗ rỗng: Ảnh hưởng của áp lực nước trong đất đến ứng suất hữu hiệu và sức chống cắt của đất nền.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu chính bao gồm số liệu khảo sát địa chất, thí nghiệm cơ lý đất nền tại tỉnh Cà Mau, cùng các hiện trường sụt lún, sạt lở được ghi nhận trong mùa khô năm 2020. Cỡ mẫu khảo sát khoảng vài chục điểm lấy mẫu đất và quan trắc hiện trường nhằm đảm bảo tính đại diện.

Phương pháp phân tích kết hợp:

  • Phân tích phần tử hữu hạn (Plaxis 2D): Mô phỏng trạng thái ứng suất - biến dạng nền đất yếu dưới nền đường đắp, đánh giá ảnh hưởng của mực nước sông và địa hình.
  • Phương pháp cân bằng giới hạn (Geoslope): Tính toán hệ số an toàn mái dốc, xác định mặt trượt yếu nhất và đánh giá khả năng ổn định tổng thể của nền đường.
  • Phương pháp tính sức chịu tải: Áp dụng các công thức tính tải trọng an toàn (qat) và tải trọng giới hạn (qgh) theo các lý thuyết của Terzaghi, Bérézantsev, Mandel và Salencon để đánh giá khả năng chịu lực của nền đất yếu.

Timeline nghiên cứu kéo dài từ tháng 9/2021 đến tháng 6/2022, bao gồm giai đoạn thu thập số liệu, phân tích mô phỏng và tổng hợp kết quả.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Hiện tượng sụt lún và sạt lở tại Cà Mau:
    Mùa khô năm 2020, ghi nhận gần 1.000 điểm sụt lún, sạt lở với tổng chiều dài hơn 21 km. Một số điểm sụt lún sâu tới 2,5 m, dài gần 30 m, gây đứt đoạn giao thông quan trọng.
    Ví dụ, tại huyện Trần Văn Thời, hiện trường sụt lún có chiều sâu đến 2 m, chiều ngang gần nửa lộ nhựa, dài 18 m.

  2. Ảnh hưởng của mực nước sông đến ổn định nền đường:
    Phân tích mô phỏng cho thấy sự thay đổi mực nước sông có tác động rõ rệt đến áp lực nước lỗ rỗng trong nền đất, làm giảm ứng suất hữu hiệu và sức chống cắt của đất nền. Khi mực nước giảm nhanh, hệ số an toàn mái dốc giảm đáng kể, tăng nguy cơ trượt mái.
    So sánh các trường hợp mực nước biển +2,0 m và -0,5 m cho thấy sự khác biệt về cung trượt và vùng biến dạng dẻo rõ rệt.

  3. Khả năng chịu tải của nền đất yếu:
    Tính toán theo phương pháp cân bằng giới hạn và tải trọng an toàn cho thấy nền đất yếu tại khu vực nghiên cứu có sức chịu tải thấp, thường dưới 100 kPa, không đủ để đảm bảo ổn định cho nền đường đắp cao trên 1,5 m mà không có biện pháp xử lý nền.
    Hệ số an toàn mái dốc thường dao động trong khoảng 1,1 đến 1,3, thấp hơn mức an toàn tiêu chuẩn 1,5.

  4. Phương pháp xử lý nền đề xuất:
    Kết quả phân tích cho thấy cần kết hợp xử lý nền bằng các biện pháp kỹ thuật như gia cố đất, sử dụng đê bao và kiểm soát mực nước kênh đào để nâng cao độ ổn định nền đường.
    Việc bố trí đê bao gần kênh đào giúp lấy vật liệu đắp và hạn chế ảnh hưởng của biến động mực nước.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính dẫn đến mất ổn định nền đường ven sông là do đặc tính cơ lý yếu của đất nền, kết hợp với sự biến động mực nước sông làm thay đổi áp lực nước lỗ rỗng, giảm ứng suất hữu hiệu và sức chống cắt của đất. Các kết quả mô phỏng bằng Plaxis 2D và Geoslope cho thấy sự tương quan chặt chẽ giữa mực nước và hệ số an toàn mái dốc, phù hợp với các nghiên cứu trước đây trong lĩnh vực địa kỹ thuật.

So với các nghiên cứu trong nước và quốc tế, kết quả này khẳng định tầm quan trọng của việc xem xét tác động thủy lực trong thiết kế nền đường trên đất yếu ven sông. Việc bỏ qua yếu tố này có thể dẫn đến đánh giá sai lệch về độ ổn định, gây nguy cơ sụt lún và sạt lở công trình.

Dữ liệu có thể được trình bày qua các biểu đồ hệ số an toàn theo mực nước khác nhau, bảng so sánh tải trọng chịu được của nền đất và hình ảnh mô phỏng cung trượt, vùng biến dạng dẻo để minh họa rõ ràng hơn các phát hiện.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Gia cố nền đất yếu:
    Áp dụng các biện pháp gia cố như cọc xi măng đất, xử lý hóa học hoặc đắp đất gia cố để nâng cao sức chịu tải và giảm độ lún nền. Mục tiêu nâng hệ số an toàn mái dốc lên trên 1,5 trong vòng 1-2 năm sau thi công. Chủ thể thực hiện: các nhà thầu xây dựng và đơn vị tư vấn địa kỹ thuật.

  2. Thiết kế đê bao và kiểm soát mực nước:
    Xây dựng hệ thống đê bao kết hợp với kênh đào để ổn định mực nước, hạn chế biến động áp lực nước lỗ rỗng trong nền đất. Thời gian thực hiện trong 1 năm, chủ yếu do chính quyền địa phương và ban quản lý dự án hạ tầng giao thông.

  3. Giám sát và bảo trì định kỳ:
    Thiết lập hệ thống quan trắc mực nước, chuyển vị nền và ứng suất đất để phát hiện sớm các dấu hiệu mất ổn định, từ đó có biện pháp xử lý kịp thời. Thực hiện liên tục trong suốt vòng đời công trình, do các cơ quan quản lý và đơn vị vận hành thực hiện.

  4. Nâng cao nhận thức và đào tạo kỹ thuật:
    Tổ chức các khóa đào tạo chuyên sâu về phân tích ổn định nền đất yếu cho kỹ sư thiết kế và thi công, nhằm áp dụng đúng các phương pháp tính toán và biện pháp xử lý. Thời gian triển khai trong 6 tháng, do các trường đại học và viện nghiên cứu phối hợp thực hiện.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Kỹ sư địa kỹ thuật và thiết kế công trình:
    Hưởng lợi từ các phương pháp phân tích ổn định nền đất yếu và mô hình mô phỏng chi tiết, giúp nâng cao chất lượng thiết kế và đảm bảo an toàn công trình.

  2. Chủ đầu tư và quản lý dự án giao thông:
    Có cơ sở khoa học để đánh giá rủi ro, lựa chọn giải pháp kỹ thuật phù hợp, tối ưu chi phí và thời gian thi công.

  3. Cơ quan quản lý nhà nước về xây dựng và giao thông:
    Sử dụng kết quả nghiên cứu để xây dựng quy chuẩn, tiêu chuẩn kỹ thuật và chính sách quản lý phù hợp với điều kiện địa chất vùng ĐBSCL.

  4. Nhà nghiên cứu và học viên chuyên ngành địa kỹ thuật xây dựng:
    Tham khảo tài liệu chuyên sâu về lý thuyết, phương pháp phân tích và ứng dụng thực tiễn trong lĩnh vực ổn định nền đất yếu.

Câu hỏi thường gặp

  1. Tại sao nền đất yếu ven sông dễ bị mất ổn định?
    Do đặc tính cơ lý yếu, hàm lượng nước cao và biến động mực nước sông làm thay đổi áp lực nước lỗ rỗng, giảm sức chống cắt của đất, dẫn đến sụt lún và trượt mái.

  2. Phương pháp nào được sử dụng để đánh giá ổn định nền đất yếu?
    Kết hợp phương pháp phần tử hữu hạn (Plaxis 2D) và phương pháp cân bằng giới hạn (Geoslope) giúp mô phỏng chính xác trạng thái ứng suất - biến dạng và xác định hệ số an toàn mái dốc.

  3. Hệ số an toàn tối thiểu cho nền đường đắp là bao nhiêu?
    Thông thường, hệ số an toàn mái dốc cần đạt tối thiểu 1,5 để đảm bảo ổn định và an toàn trong thiết kế công trình.

  4. Ảnh hưởng của mực nước sông đến ổn định nền đường như thế nào?
    Mực nước sông thay đổi làm biến đổi áp lực nước lỗ rỗng trong đất, ảnh hưởng trực tiếp đến ứng suất hữu hiệu và sức chống cắt, từ đó tác động đến hệ số an toàn mái dốc.

  5. Các biện pháp xử lý nền đất yếu hiệu quả là gì?
    Gia cố nền bằng cọc xi măng đất, xây dựng đê bao kiểm soát mực nước, giám sát định kỳ và đào tạo kỹ thuật là những giải pháp được đề xuất nhằm nâng cao độ ổn định nền đường.

Kết luận

  • Nghiên cứu đã phân tích và đánh giá chi tiết khả năng ổn định của nền đất yếu dưới nền đường đắp ven sông tại tỉnh Cà Mau, khu vực điển hình của ĐBSCL.
  • Sự biến động mực nước sông và đặc tính cơ lý yếu của đất nền là nguyên nhân chính gây ra các hiện tượng sụt lún, sạt lở.
  • Phương pháp phần tử hữu hạn kết hợp với phương pháp cân bằng giới hạn cho kết quả mô phỏng chính xác, hỗ trợ thiết kế và xử lý nền hiệu quả.
  • Đề xuất các biện pháp gia cố nền, xây dựng đê bao và giám sát định kỳ nhằm nâng cao độ ổn định và an toàn công trình.
  • Các bước tiếp theo bao gồm triển khai thực nghiệm các biện pháp xử lý nền, mở rộng nghiên cứu sang các vùng khác trong ĐBSCL và phát triển hệ thống cảnh báo sớm sạt lở.

Luận văn cung cấp cơ sở khoa học quan trọng cho các nhà thiết kế, quản lý dự án và cơ quan quản lý trong việc đảm bảo an toàn và phát triển bền vững hệ thống giao thông vùng đất yếu ven sông.