Tổng quan nghiên cứu

Từ năm 2010 đến nay, khu vực Đồng bằng sông Cửu Long (ĐBSCL) ghi nhận khoảng 562 điểm sạt lở với tổng chiều dài trên 786 km, tập trung chủ yếu dọc theo các sông Tiền, sông Hậu, Vàm Cỏ Đông, Vàm Cỏ Tây và các nhánh kênh rạch chính. Hiện tượng sạt lở bờ sông ngày càng diễn biến phức tạp, gia tăng về phạm vi và mức độ nghiêm trọng, gây ảnh hưởng lớn đến đời sống người dân và phát triển kinh tế - xã hội địa phương. Nguyên nhân chính bao gồm tác động của phát triển kinh tế - xã hội như xây dựng hồ chứa, khai thác cát, phát triển dân số, cơ sở hạ tầng, hệ thống giao thông thủy, cùng với suy giảm rừng ngập mặn.

Trong các giải pháp chống sạt lở, kè ven sông được xem là phương pháp công trình hợp lý và bền vững nhằm giữ ổn định bờ sông. Tuy nhiên, việc thiết kế kè thường chỉ tập trung đánh giá áp lực đất và khả năng ổn định trượt mà chưa xét đến ảnh hưởng của trạng thái ứng suất ban đầu và sự biến đổi theo thời gian do quá trình cố kết thấm của nền đất yếu. Đặc biệt, tại khu vực Long An, nền đất yếu với các lớp bùn hữu cơ, bùn sét có tính chất cơ lý kém, đòi hỏi giải pháp thiết kế và xử lý nền phù hợp để đảm bảo ổn định công trình.

Mục tiêu nghiên cứu là mô phỏng và đánh giá trạng thái ứng suất biến dạng của công trình kè ven sông trên nền đất yếu bằng phương pháp phần tử hữu hạn, sử dụng phần mềm Plaxis với mô hình 2D, nhằm phân tích khả năng ổn định tổng thể và sự biến đổi theo thời gian, đồng thời so sánh các phương pháp tính toán áp lực đất lên hệ cọc. Nghiên cứu có ý nghĩa thực tiễn quan trọng trong việc thiết kế và thi công các công trình kè chống sạt lở tại ĐBSCL, góp phần bảo vệ bờ sông và phát triển bền vững vùng đồng bằng.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu dựa trên các lý thuyết và mô hình cơ bản trong cơ học đất và kết cấu công trình thủy lợi, bao gồm:

  • Lý thuyết áp lực đất Rankine và Coulomb: Xác định áp lực đất chủ động và bị động tác dụng lên tường chắn đất, với các biểu thức tính toán áp lực dựa trên góc ma sát trong, lực dính, góc nghiêng lưng tường và tải trọng phân bố trên mặt đất. Lý thuyết này giúp mô tả phân bố áp lực đất theo chiều sâu và các trạng thái cân bằng giới hạn của đất.

  • Mô hình nền Winkler: Mô phỏng phản lực đàn hồi của nền đất xung quanh cọc, xem đất như môi trường đàn hồi tuyến tính với hệ số nền K, dùng để tính toán nội lực, momen uốn và chuyển vị ngang của cọc dưới tải trọng ngang.

  • Phương pháp phần tử hữu hạn (FEM): Áp dụng để mô phỏng trạng thái ứng suất biến dạng của công trình kè trên nền đất yếu, sử dụng phần mềm Plaxis. Phương pháp này cho phép phân tích chi tiết sự làm việc đồng thời của các cấu kiện công trình và biến dạng nền theo thời gian, bao gồm ảnh hưởng của quá trình cố kết thấm.

  • Mô hình vật liệu đàn hồi và đàn dẻo: Sử dụng các ma trận đàn hồi và ma trận dẻo để mô tả quan hệ ứng suất - biến dạng của đất và vật liệu công trình, bao gồm các phương trình cân bằng, quan hệ biến dạng và ứng suất, cũng như các phương pháp tính lặp để giải bài toán phi tuyến.

Các khái niệm chính bao gồm áp lực đất chủ động (Ea), áp lực đất bị động (Ep), hệ số áp lực đất (Ka, Kp), lực dính đất (c), góc ma sát trong (φ), góc ma sát ngoài (δ), tải trọng phân bố đều (q), và các loại tường chắn đất (trọng lực, bán trọng lực, bản góc, tường mềm, tường cứng).

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu sử dụng dữ liệu địa chất khảo sát tại khu vực kè sông Vàm Cỏ Tây, Thị xã Tân An, tỉnh Long An, với lớp đất yếu gồm đất san lấp, sét dẻo mềm, sét nửa cứng và cát lẫn sét. Cỡ mẫu khảo sát bao gồm các điểm đo địa chất và các thông số cơ lý của đất nền.

Phương pháp phân tích chính là mô phỏng bằng phần tử hữu hạn trên phần mềm Plaxis, mô hình 2D, nhằm đánh giá trạng thái ứng suất biến dạng của công trình kè trên nền đất yếu. Quá trình mô phỏng xét đến trình tự thi công, sự thay đổi trạng thái ứng suất theo thời gian do quá trình cố kết thấm, và sự làm việc đồng thời của các cấu kiện như tường chắn đất, hệ móng cọc bê tông cốt thép dự ứng lực.

Phân tích so sánh các kết quả tính toán áp lực đất theo lý thuyết Rankine và Coulomb với kết quả mô phỏng FEM để đánh giá tính hợp lý của các phương pháp tính toán truyền thống. Thời gian nghiên cứu kéo dài theo chu kỳ cố kết nền đất, nhằm xác định độ lún và áp lực đất bổ sung tác động lên công trình.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Phân bố áp lực đất lên tường kè: Áp lực đất chủ động và bị động được xác định rõ ràng theo chiều sâu, với áp lực chủ động tăng theo bình phương chiều cao tường, trong khi áp lực bị động có giá trị lớn hơn nhiều tại các vị trí chịu tải trọng ngang. Ví dụ, áp lực đất chủ động tại độ sâu 2,6 m đạt khoảng 30 kN/m², trong khi áp lực bị động có thể lên tới 50 kN/m² tùy thuộc vào loại đất và tải trọng phân bố.

  2. Ảnh hưởng của tải trọng phân bố đều (q): Tải trọng phân bố đều trên mặt đất sau tường làm tăng áp lực đất chủ động lên đến 20-30% so với trường hợp không có tải trọng, đồng thời làm thay đổi vị trí mặt trượt nguy hiểm và chiều sâu không chịu áp lực đất (Hc).

  3. Độ lún và biến dạng nền đất yếu: Mô phỏng FEM cho thấy nền đất yếu có độ lún theo thời gian đáng kể, ảnh hưởng trực tiếp đến sự ổn định của công trình kè. Độ lún có thể đạt khoảng 10-15 cm trong giai đoạn cố kết, gây tăng áp lực đất bổ sung lên tường chắn và hệ móng cọc.

  4. Hiệu quả của hệ móng cọc bê tông cốt thép dự ứng lực: Hệ móng cọc truyền tải trọng xuống các lớp đất tốt hơn, giảm chuyển vị ngang và momen uốn của tường chắn. So với phương pháp tính toán truyền thống, mô hình FEM cho thấy sự làm việc đồng thời của các cấu kiện giúp tăng khả năng chịu lực và ổn định tổng thể công trình.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính dẫn đến sự khác biệt giữa kết quả mô phỏng và tính toán truyền thống là do mô hình FEM xét đến trạng thái ứng suất ban đầu, sự biến đổi theo thời gian và ảnh hưởng của quá trình cố kết thấm, trong khi các phương pháp lý thuyết thường giả định áp lực đất tĩnh và không xét đến biến dạng nền.

Kết quả mô phỏng cũng cho thấy vai trò quan trọng của việc lựa chọn hệ số nền K trong mô hình Winkler, ảnh hưởng đến tính toán chuyển vị và nội lực cọc. So sánh với các nghiên cứu trong ngành, kết quả phù hợp với báo cáo của ngành thủy lợi miền Nam về mức độ sạt lở và hiệu quả các giải pháp kè.

Biểu đồ phân bố áp lực đất và chuyển vị cọc có thể được trình bày qua các đồ thị áp lực theo chiều sâu và đồ thị chuyển vị theo thời gian, giúp trực quan hóa ảnh hưởng của tải trọng và điều kiện địa chất đến công trình.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Áp dụng mô hình phần tử hữu hạn trong thiết kế kè: Khuyến nghị sử dụng phần mềm mô phỏng FEM để đánh giá chính xác trạng thái ứng suất biến dạng và ổn định công trình, đặc biệt tại các khu vực có nền đất yếu, nhằm tối ưu thiết kế và đảm bảo an toàn.

  2. Xử lý nền đất yếu trước khi thi công: Thực hiện các biện pháp cải tạo nền như san lấp hợp lý, gia cố đất hoặc sử dụng cọc bê tông cốt thép dự ứng lực để truyền tải trọng xuống các lớp đất chắc chắn hơn, giảm thiểu lún và áp lực bổ sung lên kè.

  3. Thiết kế hệ móng cọc phù hợp với điều kiện địa chất: Lựa chọn loại cọc, chiều dài và tiết diện cọc dựa trên kết quả khảo sát địa chất và mô phỏng, đảm bảo khả năng chịu lực và ổn định lâu dài của công trình.

  4. Theo dõi và bảo trì công trình sau thi công: Thiết lập hệ thống quan trắc chuyển vị, áp lực đất và độ lún nền theo thời gian để kịp thời phát hiện và xử lý các hiện tượng bất thường, đảm bảo tuổi thọ và hiệu quả sử dụng công trình.

Các giải pháp trên nên được thực hiện trong vòng 1-3 năm đầu sau khi xây dựng, do đây là giai đoạn nền đất yếu có biến dạng lớn nhất. Chủ thể thực hiện bao gồm các cơ quan quản lý xây dựng, đơn vị tư vấn thiết kế và nhà thầu thi công.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Kỹ sư thiết kế công trình thủy lợi và giao thông thủy: Nghiên cứu cung cấp cơ sở lý thuyết và phương pháp tính toán áp lực đất, thiết kế tường chắn và móng cọc phù hợp với điều kiện đất yếu, giúp nâng cao chất lượng thiết kế.

  2. Chuyên gia địa kỹ thuật và khảo sát địa chất: Thông tin chi tiết về đặc tính cơ lý đất nền và ảnh hưởng của quá trình cố kết thấm hỗ trợ trong việc đánh giá nền đất và đề xuất giải pháp xử lý nền.

  3. Nhà quản lý và hoạch định chính sách phát triển vùng ĐBSCL: Hiểu rõ nguyên nhân và giải pháp chống sạt lở bờ sông giúp xây dựng các chính sách phát triển bền vững, bảo vệ môi trường và tài sản người dân.

  4. Đơn vị thi công và giám sát công trình: Nắm bắt quy trình thi công, các yêu cầu kỹ thuật và biện pháp kiểm soát chất lượng trong xây dựng kè ven sông trên nền đất yếu, đảm bảo tiến độ và an toàn công trình.

Câu hỏi thường gặp

  1. Tại sao phải sử dụng mô hình phần tử hữu hạn trong thiết kế kè?
    Mô hình phần tử hữu hạn cho phép mô phỏng chính xác trạng thái ứng suất biến dạng và sự biến đổi theo thời gian của nền đất yếu, giúp đánh giá khả năng ổn định tổng thể công trình hơn so với các phương pháp tính toán truyền thống.

  2. Áp lực đất chủ động và bị động khác nhau như thế nào?
    Áp lực đất chủ động là lực đẩy tối thiểu tác động lên tường khi đất trượt ra ngoài, còn áp lực đất bị động là lực đẩy tối đa khi tường bị đẩy vào đất. Hai loại áp lực này có giá trị và phân bố khác nhau, ảnh hưởng đến thiết kế tường chắn.

  3. Làm thế nào để xử lý nền đất yếu trước khi xây dựng kè?
    Có thể sử dụng các biện pháp như san lấp đất, gia cố bằng cọc bê tông cốt thép dự ứng lực, hoặc cải tạo đất bằng phương pháp cơ học hoặc hóa học để tăng cường tính chất cơ lý của nền đất.

  4. Tại sao tải trọng phân bố đều trên mặt đất làm tăng áp lực đất lên tường?
    Tải trọng phân bố đều làm tăng ứng suất đứng trong đất đắp, từ đó tăng áp lực ngang tác động lên tường chắn, làm tăng nguy cơ mất ổn định nếu không được tính toán và thiết kế phù hợp.

  5. Hệ số nền K trong mô hình Winkler được xác định như thế nào?
    Hệ số nền K được xác định dựa trên loại đất và tính chất cơ lý của đất nền, có thể lấy từ các bảng tiêu chuẩn hoặc thí nghiệm thực tế. Giá trị K ảnh hưởng trực tiếp đến tính toán chuyển vị và nội lực của cọc.

Kết luận

  • Khu vực ĐBSCL có hơn 562 điểm sạt lở với tổng chiều dài trên 786 km, nguyên nhân chủ yếu do địa chất yếu, thủy triều, lũ lụt và tác động của con người.
  • Mô hình phần tử hữu hạn trên phần mềm Plaxis giúp mô phỏng chính xác trạng thái ứng suất biến dạng và biến đổi theo thời gian của công trình kè trên nền đất yếu.
  • Áp lực đất chủ động và bị động, cùng với tải trọng phân bố đều, ảnh hưởng lớn đến thiết kế và ổn định công trình kè.
  • Hệ móng cọc bê tông cốt thép dự ứng lực là giải pháp hiệu quả để truyền tải trọng xuống các lớp đất chắc chắn, giảm lún và tăng độ bền vững công trình.
  • Đề xuất áp dụng mô hình FEM trong thiết kế, xử lý nền đất yếu, thiết kế móng cọc phù hợp và theo dõi công trình sau thi công nhằm đảm bảo an toàn và bền vững.

Tiếp theo, cần triển khai các nghiên cứu thực nghiệm và quan trắc thực tế tại các công trình kè để hiệu chỉnh mô hình và hoàn thiện giải pháp thiết kế. Các đơn vị thiết kế và thi công được khuyến khích áp dụng kết quả nghiên cứu nhằm nâng cao hiệu quả công trình chống sạt lở tại ĐBSCL.