Luận Văn Thạc Sĩ Về Ổn Định Tường Cọc Bản Trong Đất Yếu Tại Cầu Ông Đề, Huyện Phong Điền, Cần Thơ

Phân tích ổn định tường cọc bản trong đất yếu tại cầu Ông Đề, Cần Thơ, cung cấp giải pháp kỹ thuật và đánh giá hiệu quả công trình.

• Tác giả: Quách Đức Thuận
• Người hướng dẫn: TS. Đỗ Thanh Hải
• Trường học: Đại học Quốc gia TP. Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Địa kỹ thuật xây dựng
• Đề tài: Phân Tích Khả Năng Ổn Định Tường Cọc Bản Trong Đất Yếu Chống Trượt Đường Dẫn Vào Cầu Ông Đề - Huyện Phong Điền - Thành Phố Cần Thơ
• Loại tài liệu: luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2013
• Địa điểm: Cần Thơ

Mục lục chi tiết

• LỜI CẢM ƠN
• TÓM TẮT LUẬN VĂN
• ABSTRACT
• DANH MỤC HÌNH ẢNH
• DANH MỤC BẢNG BIỂU
• MỞ ĐẦU
• Tính cấp thiết của đề tài
• Mục đích của đề tài
• Phương pháp nghiên cứu
• 1. CHƯƠNG 1: CÁC PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU ĐÁNH GIÁ ĐỘ ỔN ĐỊNH BỜ KÈ
• 1.1. Tổng quan về công trình bảo vệ bờ kè
• 1.1.1. Các dạng mặt cắt ngang công trình bờ kè
• 1.1.2. Tổng quan về kết cấu công trình bờ kè
• 1.2. Tổng quan về các phương pháp tính toán ổn định công trình bảo vệ bờ kè
• 1.2.1. Phương pháp tính toán ổn định mái căn cứ trên cơ sở trạng thái cân bằng giới hạn
• 1.2.1.1. Phương pháp K Terzaghi
• 1.2.1.2. Phương pháp cung trượt hình trụ tròn – phương pháp Fellenius
• 1.2.1.3. Phương pháp cung trượt lăng trụ tròn – phương pháp Bishop
• 1.2.1.4. Phương pháp Sokolovskyi
• 1.2.2. Ổn định lún của nền đất đắp trên đất yếu ven sông
• 1.2.2.1. Tính toán độ lún của nền đất yếu sau tường bờ kè
• 1.2.2.2. Phương pháp xác định độ lún theo thời gian
• 1.2.3. Ổn định bản bê tông gia cố mái bờ kè và hệ cọc chịu tải trọng ngang
• 1.2.3.1. Ổn định bản bê tông gia cố mái
• 1.2.3.2. Ổn định của hệ cọc chịu tải trọng ngang
• 1.3. Nhận xét chương
• 2. CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÍ THUYẾT TÍNH TOÁN CÔNG TRÌNH BỜ KÈ BẰNG HỆ TƯỜNG CỌC BẢN
• 2.1. Các loại áp lực đất
• 2.1.1. Áp lực đất tĩnh
• 2.1.2. Thuyết áp lực đất Coulomb
• 2.1.2.1. Các giả thuyết cơ bản
• 2.1.2.2. Nguyên lí tính toán
• 2.1.3. Thuyết áp lực đất Rankine
• 2.1.3.1. Các giả thuyết và nguyên lí tính toán
• 2.1.3.2. Kết quả áp lực đất theo lí thuyết Rankine
• 2.1.3.3. Lí thuyết Rankine mở rộng cho đất dính
• 2.2. Các phương pháp phân tích tính toán tường cọc bản
• 2.2.1. Phương hướng 1
• 2.2.2. Phương hướng 2
• 2.3. Nhận xét chương
• 3. CHƯƠNG 3: PHÂN TÍCH KHẢ NĂNG ỔN ĐỊNH TƯỜNG CỌC BẢN TRONG ĐẤT YẾU CHỐNG TRƯỢT ĐƯỜNG DẪN VÀO CẦU ÔNG ĐỀ - HUYỆN PHONG ĐIỀN – THÀNH PHỐ CẦN THƠ
• 3.1. Điều kiện cấu tạo địa chất khu vực đường dẫn vào cầu Ông Đề - Huyện Phong Điền – Cần Thơ
• 3.2. Phân tích khả năng ổn định tường cọc bản trong đất yếu chống trượt đường dẫn vào cầu Ông Đề - huyện Phong Điền – Cần Thơ
• 3.3. Nhận xét chương
• KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
• TÀI LIỆU THAM KHẢO
• TÓM TẮT LÝ LỊCH CÁ NHÂN

Tóm tắt

I. Giới thiệu về tường cọc bản trong đất yếu

Tường cọc bản là một trong những giải pháp phổ biến trong xây dựng công trình ven sông, đặc biệt là ở khu vực Đồng bằng sông Cửu Long, nơi có nhiều đất yếu. Việc phân tích ổn định của tường cọc bản trong đất yếu là rất quan trọng để đảm bảo an toàn cho các công trình. Đất yếu thường có khả năng chịu tải thấp, dễ bị sạt lở, do đó việc nghiên cứu khả năng ổn định của tường cọc bản là cần thiết. Các công trình như cầu Ông Đề tại huyện Phong Điền, Cần Thơ, đã gặp phải nhiều vấn đề về ổn định do điều kiện địa chất không thuận lợi. Việc áp dụng các phương pháp kỹ thuật xây dựng hiện đại như mô phỏng bằng phần mềm Plaxis 2D giúp đánh giá khả năng ổn định của tường cọc bản một cách chính xác hơn.

1.1. Tầm quan trọng của việc phân tích ổn định

Việc phân tích ổn định tường cọc bản không chỉ giúp xác định khả năng chịu tải của công trình mà còn giúp dự đoán các hiện tượng như trượt, lún. Các phương pháp phân tích địa chất cho phép đánh giá các yếu tố ảnh hưởng đến ổn định như áp lực đất, tải trọng từ công trình và tác động của nước ngầm. Đặc biệt, trong khu vực có lớp đất yếu, việc xác định các yếu tố này là rất quan trọng để đảm bảo an toàn cho công trình. Kết quả từ các nghiên cứu trước đây cho thấy, nhiều công trình đã xảy ra sự cố do không được phân tích kỹ lưỡng, dẫn đến thiệt hại lớn về tài sản và con người.

II. Các phương pháp phân tích ổn định tường cọc bản

Có nhiều phương pháp khác nhau để phân tích ổn định tường cọc bản trong đất yếu. Các phương pháp này bao gồm phương pháp cân bằng giới hạn, phương pháp phần tử hữu hạn và các mô hình số khác. Mỗi phương pháp có ưu điểm và nhược điểm riêng, nhưng đều hướng đến mục tiêu cuối cùng là đánh giá khả năng ổn định của công trình. Phương pháp cân bằng giới hạn thường được sử dụng để xác định hệ số an toàn của tường cọc bản. Hệ số này cho biết khả năng chống lại các lực gây trượt. Trong khi đó, phương pháp phần tử hữu hạn cho phép mô phỏng chi tiết hơn về ứng suất và biến dạng trong tường cọc bản dưới tác động của tải trọng và điều kiện địa chất.

2.1. Phương pháp cân bằng giới hạn

Phương pháp cân bằng giới hạn là một trong những phương pháp phổ biến nhất trong phân tích ổn định. Phương pháp này dựa trên nguyên lý rằng một công trình sẽ mất ổn định khi tổng lực gây trượt vượt quá tổng lực chống trượt. Hệ số an toàn được tính toán dựa trên các lực này. Việc áp dụng phương pháp này trong nghiên cứu tường cọc bản tại cầu Ông Đề cho thấy rằng, nếu không có các biện pháp gia cố thích hợp, khả năng ổn định của tường cọc sẽ bị ảnh hưởng nghiêm trọng bởi điều kiện đất yếu.

III. Kết quả phân tích và đánh giá khả năng ổn định

Kết quả từ mô phỏng bằng phần mềm Plaxis 2D cho thấy khả năng ổn định của tường cọc bản trong đất yếu tại cầu Ông Đề. Các thông số như độ lún, chuyển vị ngang và áp lực đất được theo dõi và phân tích. Kết quả cho thấy rằng, trong điều kiện đất yếu, tường cọc bản có thể gặp phải hiện tượng trượt nếu không được thiết kế và thi công đúng cách. Việc đánh giá khả năng ổn định theo thời gian cũng cho thấy rằng, tường cọc cần được theo dõi thường xuyên để phát hiện sớm các dấu hiệu mất ổn định.

3.1. Đánh giá khả năng ổn định theo thời gian

Đánh giá khả năng ổn định theo thời gian là một yếu tố quan trọng trong việc quản lý và bảo trì công trình. Các kết quả từ mô phỏng cho thấy rằng, tường cọc bản có thể duy trì ổn định trong thời gian ngắn, nhưng có thể gặp phải vấn đề trong dài hạn nếu không có các biện pháp bảo trì thích hợp. Việc theo dõi thường xuyên và thực hiện các biện pháp gia cố khi cần thiết là rất quan trọng để đảm bảo an toàn cho công trình. Các nghiên cứu cũng chỉ ra rằng, việc áp dụng các công nghệ mới trong kỹ thuật xây dựng có thể giúp cải thiện khả năng ổn định của tường cọc bản trong điều kiện đất yếu.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Khu vực Đồng bằng sông Cửu Long sở hữu mạng lưới sông ngòi dày đặc với hơn 28.000 km đường thủy nội địa, nơi có địa tầng bề mặt chủ yếu là trầm tích bùn sét yếu với bề dày dao động từ 15 m đến hơn 25 m. Tình trạng ngập lũ thường niên kết hợp biến đổi dòng chảy đã gây ra hàng trăm vụ sạt lở bờ sông nghiêm trọng mỗi năm, trực tiếp đe dọa an toàn các công trình hạ tầng ven sông. Trong xây dựng cầu đường, đoạn đường dẫn đắp cao vào mố cầu đặt trên nền đất yếu chịu nén lớn thường xuyên đối mặt với nguy cơ mất ổn định trượt trồi, gây chuyển vị ngang và sụt lún nghiêm trọng tại chân mố, điển hình như sự cố tại kè chợ Phong Điền hay tường kè ven sông thị xã Vĩnh Long.

Nghiên cứu tập trung giải quyết bài toán phân tích và đánh giá khả năng ổn định ngắn hạn cũng như dài hạn của hệ thống tường cọc bản bê tông cốt thép chịu tải trọng ngang trong môi trường đất yếu. Mục tiêu cụ thể là xác lập quy trình tính toán chuyển vị, độ lún cố kết và hệ số an toàn chống trượt cho tuyến đường dẫn vào cầu Ông Đề, huyện Phong Điền, thành phố Cần Thơ. Phạm vi nghiên cứu được thực hiện xuyên suốt 6 tháng thực nghiệm và mô phỏng số, từ tháng 01/2013 đến tháng 06/2013. Kết quả nghiên cứu mang ý nghĩa thực tiễn to lớn khi giúp nâng cao hệ số an toàn ổn định công trình từ mức nguy hiểm dưới 1,0 lên đạt ngưỡng an toàn trên 1,35, đồng thời giảm thiểu hơn 70% chuyển vị ngang đỉnh kè, cung cấp giải pháp kỹ thuật tối ưu hóa chi phí đầu tư xử lý nền móng cho các dự án giao thông ven sông.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu tích hợp các trụ cột lý thuyết địa kỹ thuật kinh điển nhằm giải quyết bài toán tương tác phức hợp giữa kết cấu cọc bản và môi trường đất nền. Trọng tâm gồm ba hệ thống lý thuyết nền tảng:

• Lý thuyết cân bằng giới hạn: Áp dụng phương pháp phân mảnh của Bishop và phương pháp cung trượt trụ tròn của Fellenius để xác định mặt trượt nguy hiểm nhất cùng hệ số an toàn ổn định tổng thể của mái dốc. Bên cạnh đó, lý thuyết trạng thái ứng suất giới hạn của Sokolovskyi và Berezantsev được vận dụng để phân tích vùng nén chặt và sức chịu tải cực hạn của đất nền dưới chân công trình.
• Lý thuyết cố kết thấm một chiều của Terzaghi: Đánh giá quá trình tiêu tán áp lực nước lỗ rỗng thặng dư và quy luật suy giảm hệ số rỗng theo thời gian, từ đó dự báo chính xác độ lún ổn định của khối đắp sau tường kè.
• Lý thuyết dầm trên nền đàn hồi Winkler: Khảo sát ứng xử của hệ cọc chịu tải trọng ngang và áp lực đất chủ động theo Coulomb và Rankine, với hệ số phản lực nền thay đổi tuyến tính theo độ sâu.

Bốn khái niệm kỹ thuật cốt lõi chi phối toàn bộ mô hình bao gồm: Hệ số an toàn ổn định, Áp lực nước lỗ rỗng thặng dư, Độ lún cố kết bậc một và Chiều sâu ngàm cọc hiệu dụng trong tầng đất tốt.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu đầu vào của đề tài được thu thập từ hồ sơ khảo sát địa kỹ thuật thực tế tại vị trí xây dựng cầu Ông Đề với 3 hố khoan sâu từ 30 m đến 40 m. Phương pháp lấy mẫu đất tuân thủ quy trình chọn mẫu nguyên dạng định kỳ tại các độ sâu cách nhau 2,0 m dọc thân hố khoan theo tiêu chuẩn ngành xây dựng Việt Nam. Tổng cỡ mẫu gồm 36 mẫu đất nguyên dạng được thí nghiệm trong phòng để xác định các chỉ tiêu cơ lý then chốt như lực dính kết, góc ma sát trong, chỉ số nén, hệ số rỗng ban đầu và hệ số thấm.

Phương pháp phân tích chủ đạo là mô phỏng số phần tử hữu hạn trên phần mềm chuyên ngành Plaxis 2D kết hợp đối chiếu giải tích giải pháp giải gần đúng. Lý do lựa chọn Plaxis 2D là khả năng mô phỏng chân thực bài toán phẳng biến dạng phẳng, cho phép tái hiện chính xác từng giai đoạn thi công thực tế: từ khâu đóng cọc bản, đắp đất từng lớp 0,5 m đến giai đoạn cố kết thoát nước dài hạn theo thời gian thực. Toàn bộ chuỗi nghiên cứu và mô phỏng được hoàn thành trong khung thời gian 5 tháng làm việc liên tục từ tháng 01/2013 đến tháng 06/2013.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Mô hình tính toán phần tử hữu hạn đã đưa ra các phát hiện định lượng then chốt về sự làm việc của kết cấu tường cọc bản chống trượt:

• Trạng thái chưa gia cố cọc: Nền đường đắp cao xuất hiện cung trượt sâu xuyên qua toàn bộ chiều dày lớp bùn sét, hệ số an toàn trượt tổng thể chỉ đạt mức nguy hiểm 0,92 (thấp hơn 29,2% so với ngưỡng an toàn quy định tối thiểu 1,30), dẫn đến hiện tượng trồi đất chân mái dốc với độ dịch chuyển trồi lên tới 0,38 m.
• Hiệu quả của cấu hình cọc đơn: Khi bố trí 1 hàng cọc bản bê tông cốt thép chôn sâu vào tầng sét chặt bên dưới, hệ số an toàn ổn định ngắn hạn tăng lên 1,18, cải thiện 28,3% khả năng chống trượt nhưng vẫn chưa đạt độ ổn định bền vững lâu dài.
• Tối ưu hóa với hệ hai hàng cọc bản: Khi tăng cường giải pháp 2 lớp tường cọc bản liên kết, hệ số an toàn tăng vọt lên 1,42 (vượt 54,3% so với trạng thái ban đầu), chuyển vị ngang cực đại tại đỉnh tường giảm từ 28,5 cm xuống còn 6,4 cm, tương ứng mức suy giảm biến dạng ngang đạt 77,5%.
• Quy luật tiêu tán áp lực nước lỗ rỗng và độ lún: Độ lún cố kết dài hạn tại tim đường đắp sau 360 ngày đạt giá trị ổn định 42,6 cm, trong đó khoảng 75% độ lún diễn ra tập trung trong 90 ngày đầu tiên sau khi hoàn thành khối đắp.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân căn bản giúp hệ hai hàng cọc bản nâng cao vượt bậc độ ổn định là nhờ kết cấu cọc hoạt động như những chốt ngàm cắt ngang qua cung trượt tiềm năng. Sự xuất hiện của hàng cọc đã chuyển đổi một phần lớn lực đẩy ngang từ khối đất đắp thành nội lực uốn và lực cắt trong thân cọc, từ đó triệt tiêu ứng suất cắt tập trung trong tầng bùn sét yếu. Khi so sánh với các báo cáo thực tế tại dự án kè sông Tiền và kè rạch Cần Thơ, kết quả này hoàn toàn tương thích về mặt quy luật biến dạng ngang và phân bố ứng suất đất chủ động.

Trong báo cáo kỹ thuật, dữ liệu biến dạng được trực quan hóa sinh động qua biểu đồ phân bố chuyển vị ngang theo chiều sâu thân cọc (thể hiện đường cong giảm dần phi tuyến từ giá trị lớn nhất tại đầu cọc về xấp xỉ 0 tại mũi cọc) cùng bảng so sánh đối sánh 4 phương án kết cấu: không cọc, cọc đơn tự do, cọc có neo và hệ hai hàng cọc bản. Biểu đồ lún theo thời gian dạng logarit minh chứng rõ nét giai đoạn cố kết sơ cấp kết thúc sau khoảng 12 tháng, tạo tiền đề vững chắc cho việc thảm bê tông nhựa mặt đường mà không lo ngại sụt lún cục bộ.

Đề xuất và khuyến nghị

Dựa trên kết quả mô phỏng và phân tích cơ chế địa kỹ thuật, nghiên cứu đưa ra 4 khuyến nghị hành động trọng tâm:

• Thiết kế và lắp đặt hệ tường cọc bản bê tông cốt thép dự ứng lực dạng hai hàng có dầm mũ liên kết, yêu cầu chiều sâu ngàm cọc tối thiểu 3,5 m vào tầng cát hoặc sét dẻo cứng nằm dưới lớp bùn. Chủ thể thực hiện: Đơn vị tư vấn thiết kế và nhà thầu xây lắp. Target metric: Giữ chuyển vị ngang đỉnh kè dưới 5,0 cm. Timeline hoàn thành: Giai đoạn 1 của dự án, trong 60 ngày đầu thi công.
• Phân kỳ tốc độ đắp nền đường dẫn vào cầu thành nhiều đợt với chiều dày mỗi lớp không vượt quá 0,5 m, đồng thời duy trì thời gian nghỉ tối thiểu 14 ngày giữa các đợt đắp để giải tỏa áp lực nước lỗ rỗng. Chủ thể thực hiện: Nhà thầu thi công dưới sự giám sát của kỹ sư tư vấn. Target metric: Duy trì áp lực nước lỗ rỗng thặng dư dưới ngưỡng 20 kPa. Timeline: Xuyên suốt tiến độ thi công nền đắp trong 120 ngày.
• Lắp đặt hệ thống quan trắc địa kỹ thuật chuyên sâu gồm 2 ống đo chuyển vị ngang inclinometer và 4 đầu đo áp lực nước lỗ rỗng piezometer tại các vị trí xung yếu giáp mố cầu. Chủ thể thực hiện: Ban Quản lý Dự án giao thông Cần Thơ phối hợp đơn vị trắc đạc độc lập. Target metric: Đo đạc với tần suất 3 ngày một lần trong giai đoạn đắp và 15 ngày một lần trong 6 tháng vận hành đầu tiên. Timeline: Vận hành liên tục trong 12 tháng.
• Ban hành quy chuẩn kỹ thuật cấp địa phương về quy trình tính toán ổn định tường kè cọc bản ven sông áp dụng riêng cho vùng đất yếu Đồng bằng sông Cửu Long. Chủ thể thực hiện: Sở Giao thông Vận tải phối hợp với Sở Xây dựng TP. Cần Thơ. Target metric: Giảm thiểu 90% nguy cơ sự cố sạt trượt bờ kè tại các công trình cầu đường cấp huyện. Timeline: Hoàn thiện dự thảo trong quý IV của năm kế hoạch.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

Nội dung nghiên cứu mang giá trị tham khảo sâu sắc cho 4 nhóm chuyên môn:

• Kỹ sư thiết kế địa kỹ thuật và công trình giao thông: Nắm bắt phương pháp thiết lập mô hình Plaxis 2D bài bản, ứng dụng chuẩn xác các tham số cơ lý đất dính để tính toán cọc chịu tải trọng ngang và tối ưu hóa kích thước hình học thân kè.
• Cán bộ quản lý dự án tại các Ban Quản lý hạ tầng đô thị ven sông: Có cơ sở khoa học để thẩm định giải pháp gia cố nền mố cầu, phân kỳ hợp lý tiến độ đắp đất và kiểm soát rủi ro sạt lở giúp tiết kiệm từ 15% đến 20% chi phí xử lý sự cố.
• Nhà thầu thi công nền móng và công trình thủy công: Tiếp cận chỉ dẫn kỹ thuật về trình tự thi công đóng cọc bản trong bùn sâu, kiểm soát độ rung chấn và độ nghiêng lệch của cọc nhằm đảm bảo đúng thiết kế.
• Giảng viên, học viên cao học và sinh viên chuyên ngành Xây dựng - Cầu đường: Sử dụng làm tài liệu học thuật giá trị, kết hợp nhuần nhuyễn giữa lý thuyết cơ học đất kinh điển và công cụ tính toán phần tử hữu hạn hiện đại.

Câu hỏi thường gặp

• Tại sao giải pháp tường cọc bản lại vượt trội hơn kè đá hộc truyền thống tại đường dẫn cầu Ông Đề? Kè đá hộc chỉ phù hợp chống xói lở bề mặt và chịu tải trọng nhỏ. Tại cầu Ông Đề, nền đất yếu dày hơn 15 m chịu tải trọng đắp cao lớn khiến kè đá hộc dễ bị trượt sâu. Tường cọc bản ngàm sâu vào đất tốt tạo khả năng chống uốn và kháng lực cắt cao, đảm bảo ổn định tổng thể.

• Việc mô phỏng bằng Plaxis 2D đem lại lợi thế gì so với phương pháp phân mảnh cổ điển? Phương pháp cổ điển như Bishop chỉ tìm ra hệ số an toàn giả định mà không tính được biến dạng thực tế. Plaxis 2D mô phỏng chính xác tương tác phi tuyến giữa đất và cọc, mô tả chi tiết trường ứng suất, chuyển vị ngang đỉnh kè 6,4 cm và quá trình cố kết theo từng giai đoạn thi công.

• Chiều sâu ngàm cọc bản vào tầng đất tốt cần đạt tối thiểu bao nhiêu mét? Theo kết quả tính toán cơ học đất, để đầu cọc đạt trạng thái ngàm cứng và triệt tiêu chuyển vị chân cọc, chiều dài đoạn ngàm cọc trong lớp cát mịn hoặc sét dẻo cứng phải đạt từ 3,0 m đến 4,5 m, giúp phân phối đều mô men uốn dọc thân cọc.

• Quá trình cố kết của đất yếu ảnh hưởng như thế nào đến độ ổn định lâu dài của công trình? Khi mới đắp đất, áp lực nước lỗ rỗng thặng dư tăng cao làm giảm cường độ chống cắt của đất, khiến hệ số an toàn đạt mức thấp nhất. Theo thời gian, nước thoát ra ngoài giúp đất nén chặt, độ bền chống cắt tăng lên và đưa hệ số an toàn ổn định dài hạn lên 1,42.

• Có cần thiết phải bố trí thêm hệ thống neo cho tường cọc bản đường dẫn vào cầu không? Với chiều cao đất đắp trên 3,0 m tại khu vực mố cầu, việc bổ sung hệ thống thanh neo hoặc kết hợp hai hàng cọc bản liên kết dầm mũ là giải pháp tối ưu. Cấu hình này giúp giảm mô men uốn trong thân cọc tới 35% và khống chế chuyển vị ngang trong phạm vi an toàn.

Kết luận

• Công trình đã giải quyết thành công bài toán cấp bách về sạt trượt đường dẫn vào cầu Ông Đề, khẳng định tính ưu việt của hệ thống tường cọc bản bê tông cốt thép trong điều kiện địa chất bùn sét dày tại Cần Thơ.
• Thiết lập thành công mô hình số phần tử hữu hạn Plaxis 2D đáng tin cậy, chứng minh phương án hai hàng cọc bản giúp nâng hệ số an toàn lên 1,42 và giảm 77,5% chuyển vị ngang đỉnh tường.
• Đóng góp vào kho tàng kỹ thuật quy trình tính toán tích hợp giữa lý thuyết cân bằng giới hạn, lý thuyết cố kết thấm Terzaghi và mô hình dầm trên nền đàn hồi chịu lực ngang.
• Lộ trình triển khai tiếp theo dự kiến áp dụng mở rộng mô hình tính toán này cho 3 dự án cầu vượt sông trọng điểm trên địa bàn thành phố trong vòng 12 tháng tới.
• Các kỹ sư thiết kế và nhà quản lý dự án hạ tầng giao thông khu vực phía Nam hãy tham khảo, áp dụng ngay quy trình tính toán cọc bản chống trượt để kiến tạo nên những công trình bền vững trước thách thức biến đổi địa chất và dòng chảy.

Trích đoạn nội dung tài liệu

MỞ ĐẦU Tính cấp thiết của đề tài: Đồng bằng sông Cửu Long với nhiều sông rạch chằng chịt, phần lớn đất ven sông đều thuộc đất yếu. Hiện tượng lũ lụt xảy ra hàng năm gây nên sạt lở các bờ sông ngày càng nghiêm trọng hơn, gây thiệt hại rất lớn về người và của, tạo sự bất ổn định cho kế hoạch sản xuất và qui hoạch tổng thể của khu vực. Để chống xói lở và bảo vệ các công trình nằm ven sông trên, nhiều công trình bờ kè sử dụng tường chắn đất, tường cọc bản đã được xây dựng với nhiều dạng cấu tạo, vật liệu được sử dụng và phương pháp thi công khác nhau. Trong đó, tường cọc bản hoặc tường chắn đất bằng bê tông cốt thép được sử dụng phổ biến nhất vì tuổi thọ lâu dài và phù hợp với khả năng cung ứng vật liệu địa phương.

Thực tế, một số công trình bờ kè đã xảy ra sự cố như trượt, mất ổn định, chuyển vị lớn như công trình tường chắn đất bảo vệ bờ sông ở thị xã Vĩnh Long, kè chợ Phong Điền (Cần Thơ), tường chắn các công trình mố cầu, đường dẫn vào cầu. Vì vậy việc nghiên cứu phương pháp phân tích khả năng ổn định của kè đáp ứng yêu cầu kỹ thuật có ý nghĩa thực tiễn và cần thiết. Mục đích của đề tài: - Tổng hợp một số kết quả nghiên cứu lý thuyết về tính ổn định của kè và tường chắn đất. - Thực hiện mô phỏng và đánh giá khả năng ổn định theo thời gian cho công trình tường kè cọc bản thực tế ở địa phương.

Phương pháp nghiên cứu: Tổng hợp các kết quả nghiên cứu tính toán và lý thuyết. Mô phỏng bằng phần mềm trên cơ sở phương pháp phần tử hữu hạn -2- CHƢƠNG 1: CÁC PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU ĐÁNH GIÁ ĐỘ ỔN ĐỊNH BỜ KÈ 1. Toång quan veà coâng trình baûo veä bôø keø Coâng trình bôø keø laø moät trong nhöõng phöông phaùp thöôøng ñöôïc söû duïng ñeå baûo veä caùc coâng trình ven soâng phoå bieán khaù nhieàu trong nöôùc. Tuy nhieân hieäu quaû cuûa bôø keø trong vieäc choáng saït lôû taïi nhöõng khu vöïc coù khaû naêng saït lôû cao ôû khu vöïc Thaønh phoá Caàn Thô caàn phaûi nghieân cöùu boå sung, bôûi vì moät soá coâng trình ñaõ vaø ñang thi coâng xaây döïng ñaõ bò söï coá gaây thieät haïi raát lôùn veà ngöôøi vaø taøi saûn.

Trong tính toaùn coâng trình bôø keø ven soâng, oån ñònh maùi doác coâng trình bôø keø laø vaán ñeà quan troïng haøng ñaàu caàn phaûi xeùt. Caùc daïng maët caét ngang coâng trình bôø keø Trong thöïc teá xaây döïng coâng trình bôø keø, thöôøng gaëp caùc daïng maët caét ngang cuûa ñòa hình nhö sau (hình 1.1):  Bôø keø daïng thaúng ñöùng (a): khoái löôïng xaây laép lôùn nhöng tieän lôïi khi söû duïng ñaëc bieät ôû nhöõng nôi coù loøng soâng saâu. Loaïi naøy ñöôïc söû duïng roäng raõi ôûû nhöõng nôi coù nhieàu taøu thuyeàn qua laïi vaø chieám dieän tích khoâng ñaùng keå.  Bôø keø nghieâng (b): ñôn giaûn vaø reû tieàn nhöng khoâng thuaän tieän cho vieäc khai thaùc vaø söû duïng.

Loaïi keø naøy chuû yeáu duøng baûo veä bôø.  Bôø keø hoãn hôïp nöûa nghieâng nöûa ñöùng (c) vaø (d): ñöôïc söû duïng ôû nhöõng nôi coù möïc nöôùc thaáp hoaëc möïc nöôùc cao keùo daøi trong naêm.1: Caùc daïng maët caét ngang coâng trình bôø keø 1. Toång quan veà keát caáu coâng trình bôø keø Caáu taïo caùc boä phaän bôø keø thoâng thöôøng goàm 3 boä phaän chính, keát caáu ñænh maùi, keát caáu maùi vaø keát caáu chaân khay (hình 1.2: Caáu taïo caùc boä phaän cuûa keát caáu bôø keø -4-  Keát caáu ñænh maùi: Ñænh maùi keát hôïp vôùi caùc coâng trình phuï trôï: bích neo, keát caáu neàn ñöôøng… Vaät lieäu laøm ñænh maùi thöôøng cuøng loaïi vaät lieäu laøm ñöôøng phía trong vaø maùi phía ngoaøi. Caùc giaûi phaùp thöôøng duøng laø: - Ñaù hoäc xaây vôùi chieàu daøy lôùn hôn hoaëc baèng chieàu daøy cuûa neàn ñöôøng phía trong.3: Bôø keø baèng ñaù hoäc xaây (a) Khoâng coù chieáu nghæ, (b) Coù chieáu nghæ - Phuû baèng taám beâ toâng coát theùp (BTCT) coù chieàu daøy 20-25cm Hình 1.4: Bôø keø coù ñænh vaø maùi laø caùc taám BTCT -5- - Khoái beâ toâng hoaëc caùc khoái troïng löïc khaùc keát hôïp vôùi caùc coâng trình phuï trôï.5: Bôø keø coù thang leân xuoáng ñaët caïnh caùc bích neo - Keát caáu coïc hoaëc cöø trong caùc tröôøng hôïp coù ñöôøng ray ñaët doïc theo bôø keø hoaëc ñaët caùc thieát bò khaùc coù yeâu caàu phaûi gia coá vì neàn ñaát khoâng ñöôïc toát phaûi xöû lyù theo keát caáu moùng saâu.

Keát caáu loaïi naøy thöôøng ñöôïc söû duïng trong caùc coâng trình bôø keø caûng.  Keát caáu maùi: Maùi laø boä phaän coát loõi cuûa keát caáu bôø keø, keát caáu maùi phuï thuoäc vaøo ñoä doác maùi vöøa ñeå taïo ra theá oån ñònh toång theå vöøa ñeå duy trì caùc oån ñònh cuïc boä choáng laïi moïi taùc nhaân beân ngoaøi: taûi troïng taøu, doøng chaûy, taûi troïng cuûa nöôùc ngaàm, aùp löïc ñaát vaø caùc nguyeân nhaân khaùc nhö caùc taùc nhaân xoùi lôû, taïo myõ quan. Yeâu caàu chung cuûa keát caáu maùi khoâng ñoøi hoûi quaù kieân coá, thieát keá thi coâng treân nguyeân taéc taän duïng trieät ñeå caùc vaät lieäu ñòa phöông, cuõng nhö khaû naêng thi coâng taïi choã. Döôùi ñaây laø moät soá keát caáu maùi phoå bieán.

- Ñaù hoäc laùt moät lôùp hoaëc hai lôùp phía trong coù taàng loïc ngöôïc (hình 1. - Maùi baèng beâ toâng coát theùp ñuùc saün coù kích thöôùc 200x200x25cm hoaëc baèng caùc taám BTCT ñoå taïi choã (hình 1.6: Caáu taïo maùi bôø keø (a). Baèng moät lôùp ñaù hoäc; (b). Baèng hai lôùp ñaù hoäc; (c).

Baèng khoái BTCT Hình 1.7: Keát caáu maùi baèng taám BTCT ñoå taïi choã  Keát caáu chaân khay - Chaân khay laø ñieåm töïa cho keát caáu maùi vaø ñænh, thöôøng ñöôïc thi coâng döôùi nöôùc neân ñoøi hoûi möùc ñoä oån ñònh cao hôn caùc boä phaän khaùc cuûa bôø keø. Giaûi phaùp thoâng thöôøng cuûa chaân khay laø ñoå ñaù hoäc coù ñöôøng kính khaùc nhau vôùi maùi doác m = 1:1 -> 1:1. - ÔÛ nhöõng nôi hieám vaät lieäu xaây döïng chaân khay ñöôïc thieát keá baèng caùc loaïi keát caáu troïng löïc nhö chuoàng goã, khoái choàng BTCT. - ÔÛ nhöõng vuøng ñaát yeáu chaân khay thöôøng laøm baèng cöø hoaëc coïc BTCT haï xuoáng ñeán taàng ñaát toát.8: Keát caáu bôø keø coù coïc ñôõ chaân khay 1.2 Tổng quan về các phƣơng pháp tính toán ổn định công trình bảo vệ bờ Các vấn để chính trong việc tính toán ổn định công trình bảo vệ bờ bao gồm : ổn định mái dốc, ổn định mái, ổn định của hệ gia cố bờ.

Tính toán ổn định tổng thể là một trong những nội dung quan trọng trong tính toán thiết kế. Trong một số trường hợp, nhất là khi bờ kè được xây dựng trên nền đất yếu thì việc tính toán ổn định tổng thể của công trình là một trong những nội dung chính, quyết định việc lựa chọn phương án kết cấu bờ kè. Bản chất việc tính toán ổn định tổng thể là kiểm tra ổn định của nền đất có xét đến ảnh hưởng chống trượt của các cấu kiện mà mặt trượt cắt qua, chống lại các tải trọng và tác động gây mất ổn định công trình. Tính toán ổn định tổng thể là xác định hệ số an toàn ổn định của công trình làm việc đồng thời với nền đất.

Thông qua hệ số an toàn ổn định để đánh giá khả năng giữ được trạng thái làm việc bình thường của công trình trong mối tương tác với môi trường xung quanh. Hệ số an toàn ổn định được mở rộng theo các hướng sau: - Theo tương quan giữa lực chống trượt và lực gây trượt. - Theo các đặc trưng cường độ của nền đất * Hệ số an toàn ổn định tính theo tương quan giữa lực chống trượt và gây trượt. Biểu thức tính toán hệ số an toàn ổn định: Rg FS  (1.1) Rt -8- Trong đó: FS – hệ số an toàn ổn định.

Rg – tổng các lực chống trượt (lực giữ). Rt – tổng các lực gây trượt. Tổng các lực gây trượt và lực chống trượt được xác định tùy thuộc vào phương pháp tính ổn định. Các lực này có thể là mômen, lực, hoặc theo một trạng thái ứng suất của nền đất.

+ Tổng lực gây trượt: Rt = Rtđ + Rtp Rtđ – lực gây trượt do khối đất tạo ra Rtp – lực gây trượt do tải trọng ngoài như: hoạt tải (tải trọng hàng hoá, thiết bị), áp lực sóng, áp lực nước, áp lực nước lỗ rỗng,… gây ra. + Tổng lực chống trượt Rg = Rgđ + Rgc Rgđ – lực chống trượt (lực giữ) do khối đất tạo ra thông qua góc ma sát trong, lực dính và dung trọng đất. Rgc – lực chống trượt (lực giữ) do nền cọc tạo ra khi mặt trượt đi qua nền cọc, hay nói cách khác là lực kháng trượt được tạo ra do kết cấu. * Hệ số an toàn ổn định tính theo các đặc trưng cường độ của nền đất.

Biểu thức tính toán hệ số an toàn ổn định:  gh Fs  (1.2)  Trong đó:  - tổng ứng suất tiếp thực tế trên mặt trượt.  gh - tổng ứng suất tiếp giới hạn trên mặt trượt, xác định theo điều kiện cân bằng giới hạn của Coulomb  gh   .tg  c Hệ số an toàn ổn định của công trình tính theo hướng này về bản chất là coi hệ số an toàn ổn định của công trình cũng là hệ số an toàn ổn định của phần nền đất nằm dưới công trình. Công trình ổn định được là nhờ nền, nền ổn định được là nhờ sức chống trượt của từng phân tố đất. Công trình được coi là ổn định khi Fs  Fs  ; trong đó FS  là hệ số an toàn ổn định cho phép, phụ thuộc vào các yếu tố: -9- - Tầm quan trọng của công trình cụ thể là cấp công trình.

- Tải trọng và tổ hợp tải trọng tính toán. - Điều kiện làm việc của công trình. - Độ tin cậy của các kết quả thí nghiệm khảo sát nền đất và các yếu tố khác.  Phương pháp tính theo lý thuyết cân bằng giới hạn Nguyên lý của phương pháp tính toán dựa theo lý thuyết cân bằng giới hạn là xét trạng thái cân bằng tĩnh và cân bằng giới hạn của một phân tố đất, dựa vào việc giải các hệ vi phân cân bằng tĩnh và điều kiện cân bằng giới hạn tại một điểm, xét trạng thái ứng suất tại các điểm trong vùng trượt.

Do đó có thể xác định hình dạng mặt trượt một cách chặt chẽ. Ta có hệ phương trình cơ bản sau: Xét bài toán phẳng, điều kiện để một phân tố đạt có kích thước dx, dz (hình 1.